【科幻世界·公益阅读】科学：天使在人间 《阿丽塔：战斗天使》的现实投影
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天使在人间
《阿丽塔：战斗天使》的现实投影
_ _ _文/张雨晨
导言：
本文刊登于《科幻世界》2019年3月刊
《阿丽塔：战斗天使》无疑是《流浪地球》之后，最令国内幻迷期待的科幻大片。
在引爆了全世界的媒体舆论后，这部“卡神”十年磨一剑的科幻电影，不但为观众们奉上了一场想象力与视觉艺术的豪华盛宴，同时也对科学技术在未来的发展与应用做出了精彩的演绎。
而在这浪漫瑰丽的幻想背后，支持战斗天使的科学现实又是怎样的呢？
一、绘 梦
《阿丽塔：战斗天使》的缘起，可以追溯到1999年，公元第二个千年的最后时刻。
那一年的科幻影坛，由横空出世的《黑客帝国》与历久弥新的《星球大战》所统治。而早已凭借《泰坦尼克号》一片加冕“世界之王”的詹姆斯·卡梅隆，也正摩拳擦掌准备再大干一场。
恰在此时，一位深爱幻想艺术的墨西哥同行，向卡梅隆推荐了一部日本科幻漫画——由木城幸人（也译作木城雪户）绘制的《铳梦》。
《铳梦》的漫画封面
而早已因《异形2》和《终结者》系列与科幻文化结下不解之缘的卡梅隆，迅速被这部科幻经典作品深深吸引。其中最令他念念不忘的，就是坚强美丽的女主角——阿丽塔（Alita，日本原版中名为Gally）。凝视着纸面上这位散发着强悍美感的钢铁天使，已至不惑之年的卡梅隆打定主意，要将她带上银幕。
然而在完成了剧本初稿后，卡梅隆立刻意识到，想要完美呈现木城先生笔下的科幻画面，目前的技术条件远远不够。无奈之下，他只好先捡起自己之前创作的另一个科幻剧本，通过艰苦烦琐的拍摄工作，一步一步地攀登视觉艺术的技术巅峰。
这部“技术验证片”，就是震惊世界的《阿凡达》。
随着卡梅隆对电影技术的不断探索，以及相关科学技术本身的突飞猛进，《铳梦》中那个看似荒凉却又瑰丽的世界，终于迎来了与观众见面的曙光。虽然因为忙于《阿凡达》的续集制作而无暇亲自执导，但卡梅隆依然依靠自己强大的影响力，为《阿丽塔》召集了一个豪华的制作团队——《罪恶之城》的导演、《黑客帝国》的摄影、《疯狂麦克斯：狂暴之路》的配乐，以及著名的维塔特效团队纷纷加入了这场想象力的狂欢之中。
转眼到了《阿凡达》上映后的第十个年头，二十年前那个向卡梅隆推荐《铳梦》的墨西哥“漫画宅”——吉尔莫·德尔·托罗已经凭借着《水形物语》横扫了奥斯卡颁奖典礼，而《阿丽塔》也经过了漫长的准备，正式登上了全世界的银幕。
钢铁天使，降临人间。
二、机 魂
当阿丽塔在银幕上操纵着钢筋铁骨独步江湖，凭借精湛的机甲武术（Panzer Kunst）如战斗天使般力克强敌时，一个带有些许期待的疑问隐约涌上了观众们的心头——在银幕外的真实世界中，这些惊人的科幻设想演绎，究竟有多少真实成分呢？
要回答这个问题，就得从阿丽塔本人说起了。
在影片的开场部分，当伊德（Ido）博士从废弃的垃圾残骸中翻出了阿丽塔的残躯，并将其修复唤醒之后，哪怕是对科幻概念一无所知的“萌新”观众都能看明白，阿丽塔是一位有着机械身体的改造人（Cyborg）。
从《星球大战》中的天行者父子到《攻壳机动队》中的草薙素子，在科幻的艺术殿堂里，“人机合一”的改造人艺术形象简直多如星辰。
草薙素子和阿丽塔一样只有大脑属于“原装部件”
然而，出乎很多幻迷意料的是，改造人这一概念，并非源自科幻领域。
早在1960年，当26岁的加加林仍在莫斯科接受航天员训练时，一篇展望人类进入太空后通过外接机械设备适应极端环境的论文便悄然问世。这篇名为Cyborgs and Space的论文，正式将控制论（Cybernetic）与生命体（Organism）两个单词合二为一，从科学的角度确立了改造人（Cyborg）的概念。
很快，带着对神经科学发展的乐观期待，一向以脑洞清奇、盛产“黑科技”著称的美国国防部先进研究项目局（DARPA），联合加州大学洛杉矶分校（UCLA）进行了一个合作项目。旨在通过对脑电图（Electroencephalogram, EEG）的信号分析，来研究思维活动的机制，并以此为基础，让作战人员直接通过脑电信号操纵军用装备，进入“人机合一”的状态。
这个项目，便是脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）技术的发端。
所谓脑机接口，从概念上理解，就是一整套通过电生理学（Electrophysiology）技术采集大脑神经活动，再经过电脑处理分析，最终输出电子信号给外部设备的系统。
神经元通过突触彼此连接，从而传递信息
但相比于理想化的概念设计，在实际的科学技术发展中，最大的困难永远都是具体操作中一个又一个的细节问题。
人类的大脑由大约860亿神经细胞组成，负责传递、加工信息的神经元（Neuron）大约占据了其中的十分之一。这些造型独特的神经细胞，会伸出细长的树突（信息输入）与轴突（输出信息），与其他神经元形成上百甚至上千个名为突触（Synapse）的信息交流结构。当一个神经元从树突上接收、汇集的兴奋性刺激足够强烈时，这个神经元就会如雷云般爆发出一个波形极为尖锐的“动作电位”。随后，这个动作电位将会以脉冲的形式沿着轴突飞速传输，最终刺激轴突末梢的突触分泌各种“神经递质”，将信息转交给下游的神经元。
人类的大脑是一张无比庞大、复杂的神经网络
可以说，每个神经元都只是对输入刺激进行汇总与反应的简单元件，根本不可能“理解”自己所处理的信息。但正如简单的石块组合在一起就能够建成壮美的神殿，无数功能简单的神经元连接在一起，就构成了大脑神经运算的网络。因此，如果能读取这些神经元的电信号，那么我们就能在深不见底的“脑海”之中窥得灵魂巨龙的一鳞半爪。
于是，科学家们将包有绝缘涂层的金属电极刺入实验动物的大脑之中，用电极尖端裸露的金属位点记录临近神经元的电活动。在这些二十世纪后半叶兴起的研究中，科学家们发现，很多神经元的活动模式与特定的输入刺激或者输出行为高度相关。比如说，在视觉皮层里，有的神经元就只对视野中特定位置、特定朝向的线条刺激起反应，而另一些神经元，则更加“偏爱”别的角度。
扫描电子显微镜拍摄的金属电极，
可以看到暴露的金属尖端，酷似一根铅笔
但是，仅凭单独一根金属电极，科学家即便在运气最好的情况下，能够同时记录的神经元数目也屈指可数。于是，科学家和工程师们采用最“简单粗暴”的思路，造出了酷似“微型钉板”的电极阵列，大大增加了能同时记录的神经元数量。虽然相对于大脑无比复杂的神经网络来说，这样几十上百个神经元的信号，仍然不过沧海一粟，未必能解释多少神经系统的工作机制，但是对于脑机接口来说，已经可以简单操纵一些设备了。
当然，想要获得这样“高清无损”的神经元信号，就需要将电极长期埋置进大脑之中。这个问题，对于实验动物来说倒也罢了，但如果用在人类身上，就有着相当大的手术与感染风险。因此，目前这种侵入式脑机接口，对人类来说，只会用于个别重度瘫痪的患者。
更麻烦的是，在把电极阵列插进脑子里之后，想要真正依靠神经活动操纵机械臂或者屏幕上的光标，还需要受试者与分析程序进行长期的配合训练。此外，这样由电脑对有限的少数神经元信号分析后输出的运动指令，往往只是几个引导机械臂工作的空间维度与关节角度信息，“带宽”极其有限，与我们平时不假思索地“如臂使指”有着天壤之别。
而相比于多少可以“勤能补拙”的输出信号，如何向大脑有效地输入反馈信息，才是最令脑机接口专家们头疼的难题。
我们在运动时，需要时时刻刻根据各种反馈信息来调整动作。当我们早上起来挤牙膏时，协助我们拿捏力道的就是触觉的反馈信息；而当我们闭着眼睛也能用手指准确摸到鼻尖时，指引运动的就是本体感觉。但时至今日，我们对大脑如何表征、感知各种输入信息，依然有许多问题有待探明，更不用说向大脑准确输入人工刺激了。因此，现在的侵入式脑机接口，往往只能让受试者单凭目视来确定移动的效果，即便通过电极放电模拟了一点儿触觉反馈，也远不足以支持精细的操作。
相比于通过电极阵列采集神经元动作电位的侵入式脑机接口，还有一类利用头皮电极的非侵入式脑机接口。当年DARPA搞的首个脑机接口项目，就是非侵入式的。这样的好处显然是免去了很多手术的风险，任何人都可以用，但缺点同样很突出——如果说侵入式脑机接口是用一个个凑到神经元嘴边的话筒去录它们的悄悄话，那么非侵入式脑机接口就是在大楼顶上挂一个麦克风，然后隔着天花板去听底下聚会的一大群人嗡嗡作响，根本不可能记录到精确的神经活动，只能捕捉到一些大而化之的神经元群体电位变化总和。
正因为有着这样致命的弱点，非侵入式脑机接口主要的“玩法”，是配合眼动仪追踪的使用者注视点，来判断所注视的图片或者字母是不是他们心中想要表达的那一个——简单来说，就是“用眼睛打字”。
阿丽塔一开始使用的民用义体，
已经可以很好地响应她的运动控制
现有的脑机接口技术，不管是采集的神经元信息，还是反馈的精度，甚至设备的硬件尺寸，都与《阿丽塔》一片中的未来科技有着天壤之别。尽管我们都想实现电影中随心所欲操纵机械的梦想，但科学技术的发展从来都没有捷径。目前脑机接口所能做到的，就是通过电脑程序的分析运算，从数量或精度极其有限的神经电信号中，为身体活动不便的使用者释放出那只被潜水钟囚禁的蝴蝶①。
① 《潜水钟与蝴蝶》是2007年在法国上映的剧情片，该片讲述让·多米尼克·鲍比突发血管疾病陷入深度昏迷，身体机能遭到严重损坏后用眼皮与世界交流的故事。
但对于那些灵魂被自身失灵肉体禁锢的患者来说，哪怕这一点点科技进步，都已是堪比天使降临的福音。
三、天 梯
有些看似捷径的道路，走起来却无比艰险。
除了脑机接口之外，在影片的前期，另一个同属“高难度捷径”的科技概念，同样以镜头语言直接传达了出来——任何对科学或科幻有所涉猎的观众，都不难看出，那个悬浮在众人头上天空之城“萨雷姆（Zalem）”，实际上就是一部太空电梯的地面残端。
在原著漫画《铳梦》中，这个不言自明的设定是推动剧情发展的重要伏笔。早在故事发生之前许久，人类就因小行星撞击地球而遭受了文明浩劫。但是当残存的人类重拾科技与文明后，却完全放弃了恢复地球生态的打算，转而以冷酷的法西斯式极权，开始了集中一切资源向太空殖民的发展道路，并为了适应太空的环境，而大力发展了改造人技术。随着太空电梯的建成，人类在太阳系的多个行星上建立了殖民地，甚至造出了五艘恒星际殖民飞船。主角们居住的“废铁城”，就曾是有着“星之城”美誉的巨型航天工业基地，而位于太空电梯下端的“萨雷姆”，则是为亚光速殖民飞船测试、选拔世代航行船员的社会学试验场。
悬浮在废铁镇上空的萨雷姆
然后，一场横跨太阳系的人类内战爆发了。待一切平息之后，地面的人类已然忘记了自己的历史，太空中高度异化的人类文明则断绝了与地面的交流。当历史转到电影故事发生的时刻，曾经的“星之城”已经沦为了负责供养“萨雷姆”运转的“废铁城”，至于看似高高在上的“萨雷姆”，也已无法联系上电梯另一端的宇宙殖民地，成了与世隔绝的人性地狱。
废铁镇通过巨大的连接管道向萨雷姆输送各种生活物资
当然，作为和改造人同样经典的科幻概念，太空电梯也频繁出现于各种各样的科幻作品中。但最早提出这一概念的，并非幻迷们耳熟能详的阿瑟·C.克拉克，而是豪迈地说出“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里”的著名航天科学先驱——齐奥尔科夫斯基。
1895年，正值盛年的齐奥尔科夫斯基游历巴黎，受到埃菲尔铁塔的启发，产生了在赤道上建造太空电梯的大胆设想。在他之后，一代又一代的科学家们对这个概念进行了更加深入的思考与论证，最终诞生了我们现在所知的太空电梯设计。
太空电梯设计图，它的终点远高于同步轨道
和很多人的直观印象不同，太空电梯并非一座拔地而起的“通天塔”，而是一根从静止同步轨道上垂下来的“天梯”。因此，太空电梯的地面端是不必固定在地面的，完全可以像“萨雷姆”那样，成为一个悬浮在大气层中的空中平台。而为了平衡电梯本身的重量，太空电梯还会向着静止同步轨道之上更加深远的太空继续延伸，并在末端建立一个相当于“平衡配重”的空间站，从而把整个系统的重心稳定在赤道上空的静止同步轨道上。
太空电梯并不一定需要地面基地提供支持
从这个设计本身就可以看出，建设太空电梯最大的难点，就是找到一种足够轻便但又具备极强抗拉性能的超级材料，保证太空电梯不会被自身的重量拉断。
在相当长的时间里，这样的材料都只能出现于材料科学家们最奔放的睡梦中。然而随着纳米技术的不断发展，碳纳米管的出现，让这个梦想朝着现实的方向迈出了重要的一步。
人类若要深入太空，就需要对全新的环境进行适应
有关碳纳米管的惊人抗拉强度，大刘在《三体》中用一场“古筝行动”为我们进行了最精彩的演绎。然而，现有的研究技术还无法让碳纳米管在宏观尺度上实现如此惊人的效果，不要说用来造太空电梯，就是把长度做到肉眼可见都颇为不易。
因此，现在工业界对碳纳米管的应用，主要是将零碎不成型的碳纳米管混入各种复合材料之中，用以提升其机械性能。科研应用方面，科学家与工程师们也主要看重它独特的理化性质，打算利用它来操控、建造其他纳米结构体。
碳纳米管的结构示意图
不过，令人称奇的是，人类可能早在现代科技出现之前就无意中造出了碳纳米管。
因为故事中文明的反复兴衰与“萨雷姆”对地面的绝对统治，“废铁城”虽然保留了人体机械化改造这样的高科技，却被严格禁止了枪械的制造与使用。因此，包括阿丽塔本人在内的一众改造人战士，都只能用铁甲钢拳进行刺刀见红的近身搏杀。而阿丽塔本人惯用的武器，就是一把用未来科技重新打造的大马士革刀（Damascus Blade）。
换上战斗义体、手握大马士革刀的阿丽塔
有趣的是，这把削金断玉的神兵利刃，却有着实打实的现实原型。
早在中世纪时，西亚战士们手中由北印度乌兹（Wootz）钢打造的战刀，就以其卓越的机械性能，给十字军骑士们留下了极为深刻的印象。这种刀身带有细密条带状纹路的战刀，就是价值连城的大马士革刀。
时至今日，乌兹钢的矿脉早已开采一空，将其打造为绝世名刀的技术也随之失传。但是，当科学家们用电子显微镜扫描这些珍贵的宝刀时，却赫然在其中发现了酷似现代碳纳米管的微观结构。大马士革刀的失落已久的秘密，被现代科学揭开了一角。
科学的发展，永远充满惊喜和意外。
布满细密花纹的大马士革刀文物
四、降 世
不管是操纵钢铁之躯打出机甲武术的超级脑机接口，还是贯通天地的太空电梯，目前都依然是基于科学的浪漫幻想。我们在现实中所拥有的科技，不过是幻想天使遗落凡尘的吉光片羽。
但是，只要我们依然会抬头仰望未知的天空、依然能向前踏出探索的脚步，那么科学的发展就会给我们带来一个又一个惊人的奇迹，幻想中的钢铁天使终将真正降临世间。
而从此摆脱了地球环境与肉体凡胎束缚的人类文明，必将如齐奥尔科夫斯基所预言的那样，走出摇篮、终结童年、踏入群星之间。
【责任编辑：刘维佳】
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