为了让霍金“说话”，科学家在他轮椅上用了哪些科技？ - EDN电子技术设计
“不动明王”斯蒂芬·霍金是一个活着的传奇，他身下的轮椅干巴巴地输出语音，究竟是霍金在说话还是轮椅在交谈？完全瘫痪的霍金是如何控制轮椅的？这背后会有哪些不为人知的尖端科技？
世界上有太多的未解之谜，有很多藏在我们的脑海深处，我们甚至完全没有意识到。关于霍金，很多人可能没有太多想法，但是如果仔细想想，你会发现：你从未听过他真实的声音，也未曾看见过他执笔写作，可你却从未质疑过他的存在。
他身下的轮椅干巴巴地输出语音，究竟是霍金在说话还是轮椅在交谈？完全瘫痪的霍金是如何控制轮椅的？这背后会有哪些不为人知的尖端科技？
图：斯蒂芬·霍金
众所周知，“不动明王”斯蒂芬·霍金是一个活着的传奇，自他成名时就已经几乎全身瘫痪，成天坐着轮椅，连与人交谈这样的简单事都显得困难重重。
很难想象，一个抓不起笔，开不了口，连生活都不能自理的残障人士不仅写了十余本畅销书，发表了多篇有影响力的论文，还参演了多部影视剧作品，成功的背后靠的不是伟大的女人，靠的当然是他的轮椅（不靠着轮椅他怎么坐得起来）。
霍金早在年仅21岁时就被诊断出患有肌肉萎缩性侧索硬化症（一种病因至今不明的运动神经损害疾病，又名“渐冻症”），他的肌肉会渐渐失去力量，萎缩，最终蔓延至呼吸和吞咽的相关肌群，很大概率会死于呼吸衰竭。
图：病发前的霍金也曾是一位帅小伙
随着病情持续恶化，霍金开始依靠拐杖才能出行。几年后，霍金就已经无法站立，虽然他曾十分不愿使用轮椅，但面对现实也他只有这一个选择。霍金与轮椅将近50年的羁绊正式开始。
起初，轮椅只是霍金的代步工具，他除了行动上的不便之外，并没有什么异于常人，依旧能和别人谈笑风生，还能缓慢地写下一些公式。
图：患病后日渐消瘦的霍金
移居美国后，霍金坐上了电动轮椅，似乎找回了逝去的青春，想起了在剑桥赛艇队的风驰电掣，于是发展出了“飚轮椅”的特殊爱好，常常把轮椅调到最高速，在人行道上横冲直撞。
不过很快霍金就没有心情继续“飚轮椅”了，病情再度恶化，他不再能写字，说话也开始变得含含糊糊，一开始大家还可以勉强听得懂，后来就只有他的家人和最亲密的朋友才能准确地理解和猜测他说的内容。那个时期，霍金出门除了轮椅相伴，还得带上一个“首席发言人”。
图：还能含糊说话的霍金
其实此时的霍金还是幸福的，起码他还能够一句一句地表达，很快他就将彻底告别这样的幸福时光了。1985年，霍金在欧洲访问时患上严重的肺炎，医生实施了气管切开手术，虽保住了他的性命，但他却永远失去了发声的能力。
所谓大难不死必有后福，可这句话在霍金身上似乎并不应验，对霍金来说，失声后的沟通可能比生死更为重要。他也尝试了很多方法，但没有没有一种能让人满意的，比如最原始的拼写版。
霍金需要用眼神选定区域、再确定颜色，最后挑挑眉毛表示确认，一个字母一个字母得拼成词汇。这套“眉目传情”的功法必须要两个人才能修炼，拼一个单词要花上数分钟，麻烦至极。
图：霍金传记电影《万物理论》中演示的拼写板
重新让霍金说上话，不仅仅是他自己的愿望，也是学术界迫切的需求。物理学家马丁·金最先想到用一套辅助软件来跟霍金交流，他找到了美国加利福尼亚 Words+ 公司的 CEO，请求他帮助霍金教授。这位 CEO 曾经开发过一套名为 Equalizer 的软件帮助同样患有“渐冻症”的岳母，他得知要帮助的是霍金教授，立马就表示将全力以赴。
为了方便的运行这套软件，他们在霍金的轮椅上安装了 Apple II 电脑以及一个显示器。这套系统的原理其实很简单，光标会一行一行地扫过屏幕上显示的字母表，霍金只需要在光标经过想要的字母时给电脑一个确认指令便能实现输入。
彼时，霍金的双手还有一定的运动能力，不仅能自己操纵轮椅，对辅助软件的使用也完全不成问题，毕竟整套软件只需要一两个按键就可以操作。
据说，霍金还是使用扫描式输入法速度最快的三个人之一，每分钟能拼出15-20个单词，另外两个则是软件开发者本人和他的好朋友。
图：霍金使用的Equalizer软件
这套软件解决了霍金的输入问题，他已经可以还算方便地写作，但是在生活中单单只有文字是远远不够的。霍金的家人朋友们又找到了一家开发语音合成器的公司，希望寻求帮助。
这家公司生产的设备主要用于电话自动应答系统，接到来自霍金的求助倍感荣幸。他们改造了一台 CallText 5010 设备，用上了当时最好的文字转换语音处理器，在1988年赠送给了霍金。这样霍金在输入文字后就能大声地“说”出来了，仿佛重获新生。
图：这个铁盒子便是霍金多年来的“喉咙”
不过，这台安装在轮椅上的硬件并不完美，它发出的声音也并不是我们现在熟知的霍金声音，霍金本人也对这点十分不满，他要求替换成自己的声音。
于是，MIT的工程师帮助霍金实现了愿望，他为霍金制作了三种声音，分别是他妻子、他女儿以及他本人的声音。可能是因为这些工作都是由美国人完成的，霍金的语音至今都还带有明显的美式口音。
靠着各种黑科技加持的轮椅，霍金得以继续写作出书，他重新整理了之前的书稿，出版了震惊世界的《时间简史》，如今《时间简史》已经被翻译成40多种语言，售出1000多万本，被誉为最难看懂的畅销书。霍金很高兴地说，“与在我失去说话功能前相比，我现在可以更如意地传达信息。”
1997年，英特尔在处理器领域的形势一片大好，其创始人戈登·摩尔曾与霍金当面交流，他发现霍金轮椅上使用的搭载老对手AMD处理器的电脑，整套系统也存在很多缺点，便表示将承包霍金的硬件设备，霍金欣然接收。
英特尔重新设计了霍金的轮椅，将计算机集成在轮椅上，用轮椅的电池供电，并且承诺每隔两年将硬件升级一次。
岁月如刀，不仅夺走了霍金的运动能力、发声的能力，甚至连最后能活动的三根手指头也不放过。2005年起，霍金只能用一根手指操作整台轮椅了，短短三年之后，他已经连手指都无法控制了，仅剩下面部的部分肌肉可以活动，他的装备面临又一次的大改造。
霍金的研究生助理灵机一动，为他设计了一个“cheek switch”装置，这个装置可以安装在眼镜框上，用红外线检测霍金右脸颊的一块肌肉活动。
图：霍金眼镜右侧悬挂的装置便是红外传感器
这种控制方法类似于智能手机上的距离感应传感器，传感器发射肉眼不可见的红外光束，根据目标物反射的强度检测距离。霍金收缩面部肌肉，传感器接收到一个变化的信号，则反馈给电脑一个确认动作。这种方式可以完全替代之前使用的手动点击操作，并且不改变原来的操作逻辑。
图：霍金打字时只要轻微地抽动面部肌肉
随着霍金轮椅的升级，他也从用“一根手指闯天下”进化为“一块肌肉的表演艺术”，但霍金的“说话”速度还是降到了每分钟5-6个单词。
好景不长，很快霍金的输入效率就大幅下降之每分钟一个单词，他面部的肌肉也开始退化，无法精准地控制，常常陷入选错字母的困境，只好再度求助于英特尔团队。
在英特尔的实验室里，霍金花了足足20分钟才“说”出了大概30词的问候语，打字时霍金的痛苦与无奈工程师们都看在眼里，也都十分希望能帮到霍金教授。
他们曾考虑过使用最新的技术来挽救这个过时的系统，例如眼球追踪技术。眼球追踪技术虽然听起来高大上，实际上原理也并不复杂，简单来说就是通过检测眼部的细微运动来实现对设备的操控，看哪指哪。
最先进的解决方案采用红外线投射方式，在30英寸的屏幕上，能精确控制到1厘米以内，在一定程度上可以代替鼠标的操作。不过霍金的病情已经造成了严重的眼睑下垂，眼球追踪技术无法准确锁定霍金的目光，此方案被放弃。
除了眼球追踪技术，工程师们还让霍金尝试了颇为科幻的脑电波识别技术。很多人心目中对脑电波技术的理解是所谓的“心想事成”，被操控设备可以准确理解使用者的想法，实际上目前的技术还远达不到。
能够被清晰识别的脑电波信号往往都是一些身体动作控制信号，例如握拳、面部表情、抬手等，这些信号就相当于一个一个的按键，给每个信号设定好功能便能工作。至于脑海深处的思维，目前还没办法能解读，所以目前也不用担心被人窃取思想。
也许是因为霍金瘫痪多年，大脑对肢体的控制功能已经退化了，即便是戴上专业的脑电波帽也无法检测出强度足够的信号。除此之外，脑电波识别技术还需要经过大量的训练才能够有比较高的识别率，这点对于年过七旬的霍金爷爷来说难度不小，他本人也不太愿意改变用了几十年的这套操作逻辑，毕竟是个念旧的人。
没办法，工程师团队只好另辟蹊径，将重点放在了改善软件输入效率的方向上。他们仔细认真的观察了霍金输入时的每一个细节，发现了很多问题。令他们惊讶的是，已经是21世纪了，霍金还在一个一个字母地完整拼写单词，除了他严谨的性格外，其余的恐怕还要“归功于”这套古老的软件。
图：由 Words+ 开发的软件虽一直在更新，但联想功能依旧十分薄弱
团队找来了在智能手机输入法领域备受好评的SwiftKey公司合作，他们采集了霍金的大量文档，分析词频以及上下文关联，在霍金输入时会给出最合适的预测词。比如输入“Stephen”，软件会联想出“Hawking”，不再需要逐个输入字母，相信绝大多数智能手机的用户都很熟悉这套逻辑。
图：SwiftKey强大的单词联想功能
同时新软件还添加很多便捷操作，包括一键静音，全屏幕任意位置的鼠标点击功能，快速搜索还有电子邮件。用上新软件，霍金的输入效率高了10倍，还能方便的用Firefox浏览器上网。去年，霍金还开通了微博，亲自发博文与中国网友交流，吓得网友们纷纷表示“在做梦”。
图：我梦到了霍金开微博
霍金也毫不掩饰对新软件的喜爱，大赞这次革命性的升级，他说“希望它在接下来的20年继续为我服务。”
英特尔团队看到了这套新软件的成功，也打算以此帮助更多的残疾人，他们开放了这套ACAT（Assistive Context-Aware Toolkit）软件的源代码，将其托管在著名开源社区GitHub，免费让残障人士用上霍金同款软件的同时也希望众人拾柴火焰高，在更多开发者的维护下能不断完善这套软件。
图：霍金同款的ACAT辅助软件
除了在给霍金的轮椅提供计算机技术支持外，英特尔团队也改进了轮椅的很多设计，包括改善人体工程学设计，搭载更高性能的控制系统，整合健康监测和生命维持装置。同时，他们也推出了伽利略、爱迪生开发工具包，推动智能物联网轮椅的开发，致力于让残障人士享受更便利的生活。
有这么一句古话说“时势造英雄”，放在今天看，这句话可能已经不怎么准确了，霍金的传奇用“时代救天才”来形容可能更为准确。霍金赶上了好的时代，也选对了人生的路，他曾在自己的视频短片中说过：“医药没有治愈我的疾病，所以我更依赖于科技。”
有人说科技违背了优胜劣汰的法则，它拯救了太多本应该被“淘汰”的人；可如果没有科技，全人类可能都是应该被“淘汰”的弱者，霍金的故事其实也是人类的故事。
毕竟如霍金所说：“Where there's life, there's hope.”
（本文首发于Dizzy In Science）2毫瓦就能实现“闯入侦测”，用的是什么技术？ - EDN电子技术设计
这款DSP核同样可以实现低功耗的语音激活方案，在智能家庭风潮又刮起来的今天，已经有不少厂商抓住这个机会。
通过摄像头的机器视觉，判断特定区域是否有活动物体不是个新技术，一些互联网公司卖的199的摄像头就有这个功能，但是今天谈到的方案之所以引起我的兴趣，是因为，它只需要2毫瓦功耗。
这个方案是台湾摄像头厂商Himax带来的，他们基于CEVA DSP TL-4，用了EMZA的高效低功耗算法，做了一款搭配自己摄像头使用的协处理器，搭配公司QVGA CMOS摄像头，该方案的功耗仅需2毫瓦。——如果是户外应用可以做到1-2年换一次电池。
Himax的摄像头曾经是笔电的主流，或许在手机时代错失了一些良机，但公司似乎有意通过此举打通IoT市场。
该公司业务开发经理王泉博先生指出，我们将这款协处理器单独作为一颗芯片，可以匹配公司从QVGA-1300万像素的不同档次摄像头。他透露明年还将量产基于CEVA DSP X1/X2的芯片。
这款DSP核同样可以实现低功耗的语音激活方案，在智能家庭风潮又刮起来的今天，已经有不少厂商抓住这个机会，“hello，开灯”“你好，关灯”这类轻智能产品已经迅速铺开，语音开灯的模块价格已经被本土厂商做到了十几元人民币。
现场CEVA的Demo用到了合作伙伴Alango的回声消除以及Sensory的语音识别算法，在嘈杂的环境中，仍然能准确识别开关灯及开关风扇的命令。
另外，给三星供货的芯片公司DSP GROUP的超低功耗 always-on语音和音频处理器产品DBMD4也使用了CEVA的DSP。据称该公司使用的DSP核即将从TL4升级到X1/X2.
用于大量物联网设备的轻量多用途X1和X2
2016年CEVA的亮点产品包括2个视觉产品XM6和CDNN2，2个通用IoT产品X1和X2，2个连接产品pre 蓝牙5.0和802.11ac。
CEVA战略营销总监MoShe Sheier指出其中X1和X2更像是DSP+CPU的结合，在单一指令集架构中结合了DSP和控制功能，省去用于上层协议栈和系统控制的单独CPU内核。
X1可用作多用途、多模式IoT应用处理中枢，也可同时处理语音、无线连接、定位和传感器数据采集分析工作。
CEVA-X1还可作为多用途、多模式处理中枢，用于一系列紧密相关的IoT工作负载，包括Wi-Fi 802.11n、 802.11ac、蓝牙/低功耗蓝牙、Zigbee/Thread、LoRa、SIGFOX、窄带语音、GNSS和传感器融合。增强学习对于机器人运动控制的六字真言 - EDN电子技术设计
针对机器人的运动控制问题，增强学习技术的运用存在哪些难点？我们又可以采取哪些有效的解决方法？
实现机器人的自主运动从而更好地为人类提供服务是我们长久以来的梦想。但是，机器人的自主运动该如何实现？随着深度学习部分解决了机器人的视听识别问题，增强学习技术有望成为突破机器人自主运动难题的一把利剑。
增强学习实际上是“试错法”这一在生活中广泛使用的技巧的理论抽象，即为了达到理想目标而不断试验，并在实际尝试中修正方案，从而逐步提高成功率。
比如在围棋程序中，盘面情况称为“状态”，落子选择称为“行为”；根据状态选择行为的方法就称为“策略”，根据当前状态和行为对输赢的预测就称为“价值”，而当前一步的输赢结果称为“回报”。增强学习就是修正策略从而实现价值最大化的过程。
在2017年《麻省理工科技评论》全球十大突破性技术榜单中，增强学习技术高居榜首，并已在棋类运动和电脑游戏领域获得突破性进展，如AlphaGo使用增强学习技术击败前世界围棋冠军李世石，基于增强学习的电脑程序在一系列Atari游戏中超过人类水平等。那么，针对机器人的运动控制问题，增强学习技术的运用存在哪些难点？我们又可以采取哪些有效的解决方法？今天，我们为大家奉上六字真言：高、大、少；虚、先、近。
与棋类运动和电脑游戏不同，在机器人运动控制领域运用增强学习方法主要有以下三个难点：
“高”，即状态和行为维数高。比如让机器人为我们端杯水，需要增强学习算法提供如下的最优运动控制策略：凭借具有深度、鱼眼和普通图像拍摄功能的实感TM摄像头获得图像，分析出人和杯子的方向、距离、姿态以及人的表情，并通过听觉获得人发出命令的方位和急促程度，从而控制机器人（机械腿或底盘）走到人的面前；借助机器人手获得重量、温度、滑动信息，依据人手的方位控制机器人手臂和手指各关节的实时角度。这个过程所涉及的状态和行为的维数以百万计，而对每个状态行为进行价值（如人的满意度）计算也非常困难。
“大”，即状态信息误差大。棋类运动中的状态（盘面）信息完全准确，但机器人所面对的状态信息，大多存在明显误差。如在递水这个场景中，我们所获得的人和杯子的方向、距离、姿态以及人的表情、动作信息都存在误差。误差可能是由机械振动或机器人运动等因素造成，也可能是因为传感器精度不够高，存在噪声，亦或是由于算法不够精确。这些误差都增加了增强学习的难度。
“少”，即样本量少。不同于人脸等图像识别任务中动辄百万的训练样本，机器人增强学习可获得的样本数量少、成本高，主要原因是：机器人在运动过程中可能出现疲劳和损坏，还可能会对目标物或环境造成破坏；机器人的参数在运动中会发生改变；机器人运动需要一定的时间；很多机器人学习任务需要人的参与配合（如上述递水场景中需要有人接水）。这些都使得获得大量训练样本十分困难。
三种解决办法
面对上述困难，我们难道就无计可施了吗？当然不是，科学家们提出了一整套解决问题的思路，主要有如下三点：
（一个融合了“虚、先、近”三种策略的机器人运动控制增强学习框架）
“虚”，即采用虚实结合的技术。我们可以通过程序虚拟出环境让机器人进行预训练，以克服实际采样过程中可能出现的种种难题。虚拟软件不但能模拟机器人的完整运动特性，如有几个关节、每个关节能如何运动等，还能模拟机器人和环境作用的物理模型，如重力、压力、摩擦力等。机器人可以在虚拟环境中先进行增强学习的训练，直到训练基本成功再在实际环境中进一步学习。虚实结合的增强学习主要面临两个挑战。一个是如何保证虚拟环境中的学习结果在实际中仍然有效。面对这一难题，我们可以对虚拟环境与实际环境中的差别进行随机性的建模，在虚拟环境中训练时引入一些噪声。另一个挑战是如何实时获得外部环境和目标的虚拟模型，最新的深度摄像头可以帮助我们解决这个问题。
“先”，即先验知识。引入先验知识可以大幅降低增强学习优化的难度。先验知识有很多种，但对于机器人而言，获得先验知识比较有效的途径是“学徒学习”，即让机器人模仿人的示教动作，再在应用中通过增强学习优化。由于机器人运动所面临的状态维数极高，通过手工输入知识非常困难，而人做示范则较为方便，还降低了先验知识引入的门槛，不太了解机器人技术的人也可以进行。示教主要有三类方法：一是由人拖动机器手做动作；二是使用专门的运动捕捉设备获得人的动作；三是直接使用深度摄像头获取人的动作。从长远看，第三种方法会成为以后的发展趋势。
“近”，即近似。由于机器人运动控制的状态维数高、样本少且存在误差，所以将维数高的状态近似为不丢失主要信息又能增加可训练性的函数就成为一项重要的选择。使用近似方法提高增强学习算法性能的一大热点就是将深度学习技术与增强学习相结合所形成的深度增强学习技术，此技术直接将机器人的状态（如传感器和关节状态输入）通过高层的卷积神经网络映射为机器人的动作输出，大大提高了机器人基于增强学习进行运动控制的性能。该技术在近两年来取得了突破性的进展。
上述解决方法为增强学习在机器人动作控制领域的应用打开了大门，成为机器人研究的重要方向之一，但目前还存在许多实际难题亟待解决。
（来源：英特尔中国研究院）拆解：搭载摄像头的微型无人机 - EDN电子技术设计
澄星(Cheerson)CX-10迷你四旋翼无人机价值10美元，带摄像头的版本价值15美元。我们来看看，一个30万像素的图像传感器和镜头组件搭配最高支持32GB闪存卡容量的microSD插槽，为什么能将价格上涨50%？
我早先拆解的价值10美元的澄星(Cheerson)CX-10迷你四旋翼无人机是最近在读者中比较流行的产品之一；很明显，并不是只有我一个人对高性价比飞行娱乐感兴趣。这次要拆解的是它带摄像头的版本CX-10C。让我们来看看，一个30万像素的图像传感器和镜头组件搭配最高支持32GB闪存卡容量的microSD插槽，为什么能将价格上涨50%(总价为15美元，介意吗)？
我们先从外部包装开始吧。
注意，CX-10C可选配2GB的microSD卡(我的没有)，而且有两种不同的配色可选(我每种颜色都有一台，我是土豪吧)。
打开箱子，在箱子底部可以找到有本很多页的使用说明书，这比上次的手册要专业得多，但里面的英文真的不敢恭维。与以前一样，你可以找到一个USB充电线和一个无线遥控器：
凑近仔细看你也许能看出细微的差别。对CX-10来说，右下角的双向开关用于左右飞行微调控制。然而这次则是控制静止图像快门和视频捕捉开关功能的按键。CX-10C还增加了一个遥控的“3D翻滚”模式；我怀疑所有这些增强功能只是通过基于无人机的软件升级就能实现，遥控器的硬件这次我不想拆解了，它与上次展示的是一样的。
在包装的顶部是一块透明塑料(上一次是4个扎丝)，其上固定的就是这次待拆解的对象：
下面是从4个角度拍摄的四旋翼飞机照片，依次展示了摄像头、开/关装置和充电口、“摄录进行中”LED灯(在银色部分的右上角)和microSD卡槽：
这张是底部图，同样可以看出来电池(和其它电路)是裸露的。因此绝不能在水上降落。
拧掉每个“臂”上的微型十字螺丝，摘掉每个角上的固定夹具，无人机底部就全部露出来了：
挪开电池，你马上能看到PCB主板的样子；在CX-10上，电源开关就在这块电路板的这一侧，但这次没看到：
在将PCB翻过来之前，我们先来看看摄像头组件和microSD插槽的近景：
拿走螺旋桨，顶部塑料件下的细节就很容易看清楚了……哇！这是一块双PCB夹层！
看起来很有趣：摄像头和microSD卡子系统与主板是分离的，只靠三根线连着(我猜：黑线是地线，白线是电源，橘红线是摄像头摄录使能/禁止和静止/视频模式选择的串行脉冲控制线)。理论上，至少这意味着CX-10的后续设计可以只使用主板，不再需要仅包含CX-10C增强功能的第二块板子了。
遗憾的是，凑近观察第二块板上的主芯片，发现上面的标识被有意擦除了。这块芯片我相信是用来管理摄像头和microSD闪存卡的。
注意左下角的二极管D2：正是它实现了前面提到的“摄录进行中”LED功能。
第二块板的背面更是什么也没有：
PCB主板(留意新的电源开关位置)包含与上次相同的主要电路，但布局有所改变：Panchip Microelectronics公司的XN297 2.4GHz收发器，由3轴陀螺仪和3轴加速度计功能及运动处理器组成的InvenSense MPU-6050 MEMS IC，以及基于ARM Cortex-M0处理器内核的意法半导体的STM32F050K MCU。
至此拆解就结束了。今天一大早，我又花了20美元去购买澄星的CX-10W。这款无人机不带遥控器(但是你仍然可以使用其它型号带的遥控器，或单独购买一个遥控器)，可以通过具有Wi-Fi功能的安卓或iOS设备进行控制。它也不提供本机上的microSD存储，而是通过无线方式将静止图像和视频传送到同部智能手机或平板电脑上进行浏览和保存。有趣的是，易趣(Ebay)告诉我也可以单独购买CX-10W Wi-Fi摄像头板，不过价格基本接近整个无人机的价格了。总之，一旦CX-10W到货我就立马着手拆解。
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