本文為我上學期修遊戲與動漫導論的期末作業，經校閱與新增少許內容後發布。
一. 前言
隨著電視動畫第三季的播出，《刀劍神域》又重新燃起了一波熱潮。這部作品講述在不遠的未來，人們藉著「完全潛行」的技術，得以在虛擬世界中遊戲或享受另一種不同的生活。然而這樣的技術在科學上能否被實現呢？如果可以，那有沒有機會在小說中所提到的2022年成真？如果不行，又是因為什麼原因？本文將探討以下三點以驗證動畫或小說中的可行性。
(一) 以《刀劍神域》一至八集的小說為主，統整對於完全潛行技術的介紹，以及其所使用機器的描寫，以此為「完全潛行」下一定義與進行「完全潛行」時的基本要求。
(二) 不計達成之手段(亦即先不考慮小說中NERvGear、Amusphere等機體)，以電機工程學的角度探討這些要求是否已經實現，或在理論上可行。
(三) 在第二點中能達成的要求，我們探討是否能以類似《刀劍神域》中的機體完成，並估計還需要多久的發展才能實現；如果不行，將給出理論或實務上的原因。
二. 完全潛行的定義與要求
考察《刀劍神域》的小說原文，關於完全潛行的設定主要集中在第一冊，而第二到第八冊之間除了補充外，提及「完全潛行」時也多是複述第一冊的設定。另外，因為第九冊開始的〈Alicization〉篇，其設定大多著重在量子力學、靈魂與人工智慧的關係，對於完全潛行的技術大體上繼承前作[1]，故我們將討論範圍限制在第一至第八冊。
(一) 完全潛行與感官
如果曾經讀過《刀劍神域》的小說或看過其動畫，不難想像出主角躺在床上，頭上戴著一頂頭盔狀的裝置，進入虛擬世界冒險的畫面。為了瞭解「完全潛行」時應達到的要求與達成的手段，在此我們先不考慮小說裡提及的各種硬體設備與其功能，單純考慮「完全潛行」下人體應有的反應、與裝置應發揮的作用。比如以下小說中給出的陳述：
「只是我們的腦袋替眼睛、耳朵直接聽到、看到由『NERvGear』利用電磁波傳送進來的情報。」[2]
「它的內側還藏了無數的元件，而頭盔則藉由這些元件所產生的電場，與使用者的腦部直接連結，使用者不需要使用自己實際的眼睛與耳朵，就能因為機器直接給予腦的視覺質區與聽覺質區情報，而讓使用者有聽到與看到的感覺。其實除了聽覺與視覺外，觸覺、味覺與嗅覺，也就是所謂的五感，全都能由NERvGear讀取出來。」[3]
「……但Amusohere在設計上原本就沒辦法發出那麼強力的電磁波。開發者斷言那個機械只能用相當平穩的電磁波將聽覺或是視覺這些五感情報送進腦部。」[4]
「而且，有用的還不只信號傳達機能而已。Amusphere還有消除體感的機能對吧。」[5]
由以上幾則敘述可知，「完全潛行」必須在人體可承受的前提下，將訊號以電磁波的方式，經由一裝置直接傳入人體的腦中，以建立五官的感覺，進而產生「身在一個虛擬空間」的感覺。
(二) 完全潛行與動作
此外，為了讓玩家安心遊玩，不受到現實世界的干擾，進行完全潛行時，週遭環境對五官的刺激應該要被截斷，使其不能傳入大腦之中。注意到下列第二則敘述中「天地的方向突然轉個90度，背後還感到一股強大的壓力」一句，說明了完全潛行時，人體對空間環境的感知必須完全建立於虛擬世界，也就是輸入人腦內的電子訊號。
「現實世界裡，和人皮膚的所有感覺都在脊髓處被NervGear取消而無法傳送至大腦」[6]
「……整個世界就像失去電力班瞬間變成一片漆黑。視覺和聽覺完全被阻斷的亞斯娜頓時陷入無盡的黑暗當中。
宛如被人丟進無底洞一般的急速下墜感。
天地的方向突然轉個90度，背後還感到一股強大的壓力。少女只能牙齒咬緊牙關，忍受五趕回露背粗暴地再度接上的衝擊。……到了這時，背部才終於再度感受到床墊那種熟悉的柔軟觸感。隨著頓促的呼吸，混亂的神經系統也開始慢慢回復正常。」[7]
現今的虛擬實境技術仍主要是對視覺與聽覺的刺激為主，在虛擬實境中的移動，也以蒐集現實中身體的移動的數據為主。故我們常常能在網路上看到實況主帶著VR頭盔在房間玩遊戲時，不慎碰倒許多東西的影片。而小說裡也提到，大腦像四肢（或肌肉）下達的運動指令，會由完全潛行的裝置截斷回收，以在虛擬世界中動作或移動身體。
「因為(完全潛行)的使用者不只是接收假想的五感情報而已－－連由腦部向自己身體所發出的命令也會遭到阻斷與回收」[8]
「正因為NERvGear會將沿隨往肉體發出 的命令回收，接著將命令轉變為活遊戲人物的數位訊號……」[9]
綜合以上所述，《刀劍神域》中「完全潛行」必須要以非侵入式的手段，達成以下數點基本要求。其功能大致如附圖所示：
1. 將訊號傳入大腦：使用者的感官必須能對虛擬實境中的空間產生清楚，明顯的感受。
2. 攔截感官訊號：使用者進行完全潛行時，不能察覺到現實環境中感官、身體受到的刺激。例如聽不到現實之中他人的叫喊，無法看到房間裡的燈光，他人碰觸自己的肢體也不會被察覺……。
3. 讀取與攔截運動訊號：使用者為了運動而向四肢發出的神經訊號必須被機器讀取，成為其在虛擬實境中的空間中移動的參數依據，同時，因為使用者在現實世界中的肢體不能隨之移動，此訊號必須被攔截。
三. 完全潛行的可行性研究
根據完全潛行的定義，我們對完全潛行的研究分為三個方向著手：（一）如何讀取大腦命令肌肉，肢體的神經訊號？（二）如何將訊號傳入大腦中，營造出虛擬實境的感受？（三）如何截斷大腦命令肌肉，肢體的訊號，同時也截斷感官與身體向大腦發送的神經訊號？在這三者之中，依現有技術最難達成的為（三）。而（二）在一定範圍有可行性，（一）已經獲得了突破性的進展。
（一）讀取大腦操控肢體之訊號
《刀劍神域》中，用來完全潛行的裝置藉由讀取大腦操控肢體的神經訊號，轉化為在虛擬世界中玩家身體的動作。這樣的概念與「腦機介面(Brain-computer interface, BCI)」有異曲同工之妙。所謂腦機介面指的是一種能讓人類的腦內活動（以及神經脈衝）獨自操作電腦或外部裝置的技術。這項技術在現今雖然仍有許多不成熟的地方，但對於解讀大腦的活動已經能達到一定的正確率。腦機介面最主要的目標就是獲得「腦電訊號」，並經由各類方式分析訊號後，依Jonathan Wolpaw之定義，達到使人類「不使用周邊神經系統與肌肉」以移動物體的需求。[10]
腦電訊號是由於大腦細胞中的電活動而引起。一段時間內腦細胞電位的高低變化就形成了一段訊號。根據獲得手段（侵入式與非侵入式），量測範圍可分為三種，分別是Intracortical recordings、Electrocorticography (ECoG)、Electroencephalography (EEG) 三種。一般所講的「腦電圖」主要是指後者。其定義為頭殼上特定數點電位的起伏，主要以貼在頭部的電極量測。
假設我們獲得了某一小段時間內的腦電訊號後，為了讓機器分辨我們這一小段時間內究竟是想完成什麼動作，因此需要進行對處理獲得的訊號。相關領域中較為主流的是「訊號處理」與「機器學習」兩門技術。[11]姑且不論其中處理信號的細節，它們的目標都是要在給定的一段腦電訊號中，去除雜訊並判斷這是哪一種動作。這樣的技術在醫療產業界已經有所應用，使病人能操作電腦與工具，但仍不能像健康的普通人一般流暢。
在今年四月，《自然》雜誌上發表了一篇關於利用分析腦波以合成語音的論文。[12]該研究團隊先在五位將接受手術的癲癇病患的大腦中植入電極，並要求他們朗讀一些語音研究用資料庫MOCHA-TIMIT中的句子。接著藉由機器學習的方法分析獲得的腦電訊號（主要是ECoG，需靠侵入式手段獲得數據）以及發聲器官的運動，並經由Amazon的Mechanical Turk平台驗證藉讀取ECoG合成出的語音是否能讓一般人聽得懂。數據顯示以英語為慣用口語者能理解合成語音中一定比率的內容。[13]然而，實驗團隊的演算法仍無法合成在資料庫以外的句子。如果我們能藉由非侵入式的手段獲得腦電訊號(如EEG)，並利用類似的技術進行即時分析，判斷完全潛行的玩家給自己身體所下的指令，讓虛擬世界中的身體產生相對應的行為。就能像《刀劍神域》的遊戲中用虛擬的身體走路、戰鬥、甚至是飛行。[14]
另外，我們在活動自己的肢體時也會產生相應的感覺，比方說手握拳握得越緊，所感覺到的壓力就越大。此類動作的結果也應該被完全潛行的裝置預測，並回傳相對應的感覺給大腦。但只要擁有關於體型的詳細資料與精確地建模，應該不難加以計算與預測。如同小說中所述：
「所謂的測定器調整，就是為了重現著裝者的身體表面感覺而進行測量，以『手要移動到什麼樣的程度才能碰到自己身體』的動作掌握基準質的工作。這也等於把自己真正的體格資料，在NERvGear裡面檔案化。」[15]
（二）如何將訊號直接送入大腦
在進行完全潛行時，玩家會清楚知道自己所處的空間並不在現實世界中，而且他也能像清醒時一樣以自由意志控制自己的身體。這十分類似「清醒夢（Lucid Dreamimg）」的概念。清醒夢是指作夢時，人不僅清楚地意識到自己在作夢，甚至還跟清醒時擁有相同的思考能力。
至於如何以外在刺激誘發清醒夢，2014年5月《Nature Neuroscience》刊登了德國法蘭克福大學的科學家Ursula Voss的一篇論文，研究成果顯示以電流刺激腦部可引發清醒夢。[16]研究團隊以不同頻率的交流電刺激受試者的腦部，並觀察其腦電圖，同時請受試者在醒來後報告夢境。他們發現以40赫茲的交流電刺激腦部時，最有可能引發清醒夢。
另外，2016年一篇由華盛頓大學的研究團隊發表在《Frontiersin Robotics and AI》期刊的研究[17]以一種稱為「穿顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）」的方式刺激腦部，成功在受試者的腦中產生了二維的迷宮圖像。然而他們的技術仍然需要現實中的感官與其他器具的輔助才能產生影像，此外，該影像的解析度非常低，且只有預先指定好的二進位訊號才能被送到指定的單一腦區。另外，目前TMS在腦機介面上傳遞資料的效率仍非常慢，平均每位受試者需要60分鐘才能在腦機介面上交換72位元的資訊。這離《刀劍神域》仍有一大段距離。打個比方，如果桐人與亞絲娜要用這項實驗中的技術與設備各傳一句訊息給對方，可能就得花上一整天！但是該研究團隊的目標正是希望有朝一日完全只靠著在體外以刺激腦部的方式，製造出逼真的虛擬實境。假以時日，或許真有可能實現小說中高解析度畫質的多人VR遊戲。
同時有另外一門學科藉由精準的操縱細胞吸引了我的注意。光遺傳學是近幾年獲得重大突破的學科。其中心法則是利用光來控制細胞的活動，或著是研究對光會起化學反應，進而影響細胞電位的蛋白質。光遺傳學已經可以在幾毫秒的誤差內控制單一細胞，也有科學家利用光遺傳學研究神經細胞。理論上，如果我們能刺激單一腦細胞使其產生我們想要的功能，而且還能精準操控每一個大腦神經元細胞電位的變化，那就有可能產生虛擬的五官感受，進而產生虛擬實境的效果。
然而姑且不論要如何對腦細胞照光（畢竟應該沒有人想為了玩遊戲開剖開腦袋），光是大腦皮質的細胞就有近一百億個細胞，此外考量到硬體設備與計算效率的限制，基本上無法達成對每一個細胞進行指定的刺激，達到製造逼真的虛擬實境的效果。但是若能突破一些技術限制，在體外對特定的少數大腦皮質細胞進行光刺激，那麼光遺傳學可能可以做為輔助，使製造出的虛擬實境更為逼真。
今年七月底，又有一篇文章吸引我的注意。由貝勒醫學院與UCLA的團隊成功打造出一隻仿生眼鏡，將影像完全繞過眼球的構造直接傳到視覺皮層，並成功使六名全盲患者恢復有限的視力。[18]基本上這項技術已經符合《刀劍神域》中關於訊號輸入大腦的定義，但距離重建逼真的場景仍有一大段距離。
（三）截斷指定的神經訊號
截斷神經訊號是整個完全潛行技術裡面最難達到的一部份。事實上，我幾乎查不到任何與這方面相關的研究。因此我只能以神經訊號傳遞的原理來推測其可行性。由於鈉離子與鉀離子的分布位置，神經細胞的細胞膜內外有一電位差，在沒有刺激時約為-70mV。當神經衝動來臨時，細胞膜上的通道打開，離子的移動造成電位上升，當電位超過某個「閥值」後，所有鈉離子的通道都會打開，使大量鈉離子往細胞內移動，此時到達+30 mV，稱為動作電位。而動作電位會沿著神經細胞的軸突傳遞下去，直到神經元末端的突觸。
一神經元細胞的突觸與另一神經元之間的空間稱為突觸間隙，在此，神經元之間靠化學物質傳遞訊息。這些化學物質包含乙醯膽鹼、正腎上腺素等等。另一個神經元細胞接收了這些化學物質後又會產生（或抑制）新的動作電位，神經訊號就這樣傳遞下去。
目前已知神經毒素抑制神經訊號的傳遞，我們當然不可能為了玩VR而冒著生命危險注射神經毒素。或許只能等待光遺傳學獲得更進一步的突破，且對操控人類神經元細胞的技術出現且完全成熟後，這一部分才有機會成真。但即使如此仍然要面對一些問題，比方說要如何在不侵入體內的方式阻斷神經訊號？又要如何只截斷體神經系統[19]的訊號而不截斷自律神經系統[20]的訊號？這就得留給未來的科學家與工程師慢慢思考了。
四.結論
經由以上討論後，最後我們統整最新科技與《刀劍神域》中「完全潛行」技術間的差異。現在的科技已經可以藉由侵入式與非侵入式的方法讀取大腦皮質區的腦電訊號，藉由訊號處理或深度學習的技術，解碼各種腦電訊號的模式所代表的指令。尤其是語音合成在今年更是獲得了重大的突破。而隨著腦機介面與深度學習的發展，即時翻譯「腦電訊號」與「肢體動作」確實有可能在這幾年內達成。
而關於將信號傳入大腦中，除了以交流電刺激大腦使人做清醒夢外，目前已經可以藉由非侵入式的手段，用電力刺激大腦的特定區域，使人眼看到特定的影像。雖然這仍需要現實中感官與器具的輔助，而且人眼所看到的影像的解析度非常低，交換資訊的效率也非常慢。雖然這離《刀劍神域》中各款遊戲還非常遙遠，在可見的未來可能不會有任何巨大的突破，但實驗結果說明說明小說內的內容至少並非空穴來風。或許在近幾十年內的確有可能利用刺激腦部建立起逼真的虛擬實境景象與五官體驗。
然而關於攔截神經訊號，幾乎沒有任何相關研究。或許必須等到神經科學與光遺傳學有大量的重大突破後，才有可能成真。由於神經科學並非我的本科，因此我不敢輕易斷言這不可能成真。但成熟的神經訊號攔截技術幾乎不可能在小說中所說的西元2022年出現。
總而言之，西元2019年的我們其實離《刀劍神域》中完全潛行的技術還有非常多的技術要突破，也還得繼續發展出新的科技。因此2022年的我們還無法帶上NERvGear進行截斷現實感官訊號的完全潛行。即使如此，或許人類能發展出其他更逼真，更吸引人的娛樂方式也說不定。最後，我要感謝本校電機系的劉奕汶教授，提供給我許多相關的研究成果並給予指導。
五. 參考資料
川原礫著，周庭旭譯，《Sword Art Online刀劍神域1艾恩格朗特》(台北市：台灣國際角川，2009年11月)。
川原礫著，周庭旭譯，《Sword Art Online刀劍神域3妖精之舞》(台北市：台灣國際角川，2009年12月)。
川原礫著，周庭旭譯，《Sword Art Online刀劍神域5幽靈子彈》(台北市：台灣國際角川，2011年1月)。
川原礫著，周庭旭譯，《Sword Art Online刀劍神域7聖母聖詠》(台北市：台灣國際角川，2011年10月)。
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徐聖修，腦機介面 (Brain-ComputerInterface) 專題(下)(2014)。台北市：The Investigator Taiwan。檢自 https://investigatortw.wordpress.com/2014/07/13/腦機介面-brain-computer-interface-專題-下/#_ENREF_15 (2019年6月30日)
維基百科，光遺傳學(2018年7月14日)。檢自 https://zh.wikipedia.org/wiki/光遺傳學 (2019年6月29日)
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Kyle, 仿生眼鏡訊號直接傳入大腦，全盲患者重獲部分視力。檢自https://tomorrowsci.com/medicine/仿生眼鏡訊號-傳入大腦-全盲患者-重獲部分視力/ (檢自2019年8月25日)。
Losey DM, Stocco A, Abernethy JA and Rao RPN(2016) Navigating a 2D Virtual World Using Direct Brain Stimulation. Front.Robot. AI 3:72. doi: 10.3389/frobt.2016.00072.
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[1] 雖然在UnderWorld中完全潛行更為逼真，但本文會集中討論技術層面與可行性的問題。
[2] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域1艾恩格朗特》頁21。
[3] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域1艾恩格朗特》頁21、22。
[4] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域5幽靈子彈》頁35、36。
[5] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域7聖母聖詠》頁184。
[6] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域3妖精之舞》頁16。
[7] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword Art Online刀劍神域7聖母聖詠》頁98、99。
[8] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域1艾恩格朗特》頁22。
[9] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域1艾恩格朗特》頁22。
[10] 徐聖修，腦機介面(Brain-Computer Interface) 專題 (上)(2014)。台北市：The Investigator Taiwan。取自https://investigator.tw/1226/腦機介面-brain-computer-interface-專題-上/#_ENREF_1 (檢自2019年6月30日)。
[11] 徐聖修，腦機介面 (Brain-Computer Interface) 專題 (下)(2014)。台北市：The InvestigatorTaiwan。取自https://investigatortw.wordpress.com/2014/07/13/腦機介面-brain-computer-interface-專題-下/#_ENREF_15 (檢自2019年6月30日)。
[12] Gopala, K. A., Josh C., & Edward F. C.(2019). Speechsynthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature, volume 568, pages 493–498.
[13] 對於不同的項目有不同的正確比例，詳細數據請參閱該論文。
[14] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域3妖精之舞》頁122、123，另外，我們或許可以定義特定的肌肉動作為「飛行」。
[15] 川原礫著，周庭旭譯，《Sword ArtOnline刀劍神域1艾恩格朗特》頁56。
[16] Ursula, V., Romain H., Allan H., Walter P., Judith K., AnsgarK., & Michael A. N.(2014). Induction of self awareness in dreams throughfrontal low current stimulation of gamma activity. Nature Neuroscience, volume 17, pages 810–812.
[17] Losey DM, Stocco A, Abernethy JAand Rao RPN (2016) Navigating a 2D Virtual World Using Direct BrainStimulation. Front. Robot. AI 3:72.
[18] Kyle, 仿生眼鏡訊號直接傳入大腦，全盲患者重獲部分視力。取自https://tomorrowsci.com/medicine/仿生眼鏡訊號-傳入大腦-全盲患者-重獲部分視力/ (檢自2019年8月25日)。
[20] 掌管基本的生命維持的必要反應，例如腸胃蠕動與內臟器官的運作。
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