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雷达的发明与蝙蝠有关吗?
热度 2 fuleiucas 2020-9-2 10:44
写在前面: 中小学课本中有不少与科技史有关的内容,但受篇幅和其他因素限制,介绍不够详细,有些信息与事实多少存在一些出入,有的还在社会上引起了争议。从本月起,本人在《百科知识》杂志推出“课本里的科技史”系列科普文章,重点围绕材料有不足、师生有困惑、社会有争议的话题,通过科技史的视角,给大家提供一些参考。 说到雷达的发明,很多人会想到曾在小学语文教科书中学过的一篇课文《蝙蝠与雷达》。这篇课文提及,科学家通过反复实验研究,发现蝙蝠嘴里可以发出超声波,超声波遇到障碍物会反射回来,传到蝙蝠的耳朵里,蝙蝠据此来改变飞行方向。课文明确写到, “ 科学家模仿蝙蝠探路的方法,给飞机装上了雷达” ,不过与蝙蝠发出超声波不同,雷达通过天线发出的是无线电波。几十年来,这篇课文被各个不同版本的小学语文教科书收录,也被 2019 年出版的、教育部组织编写的统编小学语文教科书收录,位于四年级上册。不只是语文教科书,有些生物学教科书在介绍动物与人类的关系时,也会引用这个例子。例如人教版初中生物教科书在八年级上册就有一幅插图 “ 蝙蝠的回声定位与雷达” ,很多生物教师将其作为仿生学的经典案例介绍给学生。 我们现在知道,蝙蝠判断方位的方式叫做回声定位。那么问题来了:雷达真的是模仿蝙蝠的回声定位发明的吗?蝙蝠发出的超声波和雷达发射的无线电波是不是一回事呢?让我们一起回到 100 多年前,看看历史上到底发生了什么。 蝙蝠回声定位的发现 人类在很久之前就认识了蝙蝠这种生物,并且注意到蝙蝠的生活习性与人类不同,属于昼伏夜行类。很自然地,人类想了解蝙蝠在夜间是如何飞行的,有人猜测它们的视力可能非常好。 在 18 世纪的时候,一位名为斯巴兰扎尼的意大利生物学家对这个问题产生了兴趣,并进行了实验研究。他先是把蝙蝠关在完全漆黑且没有任何障碍物的房间里,发现蝙蝠几乎不会飞了。但这似乎说明不了什么,万一是房间太黑,蝙蝠看不见,不敢飞呢?于是他又设计了进一步的实验。当他将蝙蝠致盲或将其鼻子遮蔽后,再放入有障碍物的房间中,结果发现它们仍然可以自如地飞行;当他将蝙蝠的耳朵塞起来以后,发现蝙蝠就很容易撞到障碍物了。由此他推断,蝙蝠是通过听觉来导航的。随后,他把自己的发现分享给其他研究者。这一发现引起了瑞士博物学家查尔斯 · 朱利安的兴趣。 朱利安做了这样一个实验:他把蝙蝠的耳朵用蜡封住,发现蝙蝠总是会撞到电线上,由此他确认蝙蝠是通过听觉来导航的。斯巴兰扎尼又重复了朱利安的实验,并试图追根究底,可惜并未完成。更加遗憾的是,斯巴兰扎尼的想法实在有些超前,因为当时( 1794 年前后)人类尚未发现超声波,因此他的创见非但没有产生轰动效应,反而引起了别人的嘲讽。法国著名的博物学家居维叶,就批评了斯巴兰扎尼和朱利安的实验,他认为蝙蝠可以通过体表或翼膜的触觉来躲避障碍物。 顺便补充一句,斯巴兰扎尼简直是一位天才型的科学家。除了上述蝙蝠实验研究外,他还发现可以通过煮沸杀死空气中的微生物(法国科学家巴斯德受其启发通过曲颈甑实验驳斥了自然发生说);他通过实验证明消化包括化学变化,而非简单的物理变化;他还是第一个对狗进行人工授精的人。因此,巴斯德称斯巴兰扎尼为世界上最伟大的实验科学家之一。 斯巴兰扎尼关于蝙蝠的实验和猜想被埋没了一个多世纪。一直到 1908 年,美国动物学家哈恩才通过改进的实验验证了斯巴兰扎尼的实验结果。然而,真正的谜底揭晓则是在 1938 年。美国哈佛大学的皮尔斯设计出了可以探测超声波(频率高于 20000 赫兹,超过人的听力范围)的设备,当时还在哈佛读书的格里芬抓着蝙蝠跑去找皮尔斯,首次发现蝙蝠可以发出超声波。又过了两年,格里芬与高拉姆博什通过实验证明,蝙蝠的嘴能够发出超声波,其耳朵可以接收遇到障碍物反射回来的超声波,从而进行导航和定位。 1944 年,格里芬将蝙蝠的这种本领命名为 “ 回声定位” 。需要说明的是,不仅是蝙蝠,其他一些哺乳动物和鸟类也有这种本领。 蝙蝠是通过反射的声波来定位的,你是否由此想到了人们使用声呐在海洋中判断方位和测距?其实,声呐早在 1906 年就被英国的刘易斯 · 尼克森发明出来了,在第一次世界大战中被应用到战场上,用于侦查潜水艇的位置。后来,声呐的技术也在进步,应用领域也不断扩展。总的来说,声呐的使用要比发现蝙蝠回声定位的原理更早一些。 雷达的发明与应用 雷达是一项重要的军事发明,得益于电磁波理论和技术的进步。德国物理学家赫兹在 1888 年证明了电磁波的存在,无线电报、无线电收音机、无线电广播相继问世。对于电磁波会被物体反射的现象,赫兹早就注意到了。 1897 年,俄国科学家波波夫提出了在海上利用无线电波探测目标的设想,但并未付诸实践。因为那是在电磁波研究的早期阶段,尚未投入应用。 进入 20 世纪以后,电磁波的发送与接收已经应用于航海领域。 1904 年,德国工程师胡尔斯迈耶制造出一种可以探测船舶的装置,它可以发射和接收电磁波; 1922 年,美国海军在海上航道两侧安装电磁波发射和接收装置,用以探测来往船只。当时的电磁波收发装置是分离的,这些装置被认为是早期的雷达。 说到雷达的发明,有一个不得不提的关键人物——英国物理学家沃森 · 瓦特。 1915 年,瓦特进入空军气象部门工作。考虑到飞机的飞行受到雷电天气的影响,瓦特认为,雷电会让空气分离从而发出电磁波,如果能探测到这些电磁波信号,就可以知道雷电的区域。他提出了 “ 沃森·瓦特测向体制” ,采用阴极射线管显示无线电信号,成功解决了对电磁信号进行定位和可视化的难题。在此研究过程中,瓦特还发现了微波磁控管的热效应,后人根据这个原理发明了微波炉。 1933 年瓦特成为英国国家物理实验所无线电研究室的主任。 由于飞机在第一次世界大战中( 1914-1918 年)投入军用,从 20 世纪 30 年代开始,各国开始秘密研制远距离寻找飞机的仪器。 1934 年,瓦特偶然注意到无线电波可以在荧光屏上显示出来。次年 2 月,他向英国政府提交了《采用无线电方法探测飞机》的秘密备忘录,与之相关的研究计划很快被政府批准并付诸实践,当年瓦特就研制出第一部可以探测飞机的雷达,该雷达可以发出波长为 1.5 厘米的微波,探测距离达到 80 千米。从 1936 年开始,瓦特协助英国架设了第一个雷达站。后来,英国建成长达 200 千米的雷达网(被称为 CH 系统),在第二次世界大战中发挥了巨大作用。瓦特因此在 1941 年被授予爵士头衔。不仅是英国,其他国家也在同期研制雷达,包括美国、法国、德国、意大利、日本、苏联、荷兰等。到 1939 年,雷达进入完全实用阶段,并在第二次世界大战中大显神威。 总的来说,雷达的发明与改进是技术不断进步的表现。由于雷达的研制后来又跟军事牵涉甚多,基本上是在保密条件下开展的,可以说是在几个不同国家同时获得发展进步的。值得一提的是,“雷达”这个名词一直到 20 世纪 40 年代中期才出现,英文 Radar 是 Radio Detection And Ranging 这几个单词的缩写。 蝙蝠回声定位与雷达之异同 蝙蝠回声定位和雷达的原理既有相似点,又有差异。相似点在于,二者都是利用了波被物体反射可以测定方位的原理;差异在于,蝙蝠回声定位使用的是超声波,超声波是一种声波,其本质是物体的振动在空气等介质中的传播,如果没有了介质,比如在真空环境下,声波是无法传播的,回声定位就无法实现;雷达使用的是无线电波,其本质是电磁波,与声波不同的是,电磁波既可以通过介质传播,也可以在真空中传播。此外,从频率(即每秒振动的次数)上看,超声波的频率在 20000 赫兹以上,医用超声波一般在 1~30 兆赫( 1 兆赫 =10 6 赫兹);雷达使用的无线电波具有从极低频到极高频的一个频谱,频率可以从 3000 赫兹到 3000 吉赫兹( 1 吉赫兹 =10 9 赫兹)。 通过梳理这段历史,我们可以发现,蝙蝠回声定位的发现与雷达的发明是两个独立的事件,就现有的证据而言,无法证实后者是受到前者的启发。由于斯巴兰扎尼的实验结果长期被忽视,直到 20 世纪 40 年代才被格里芬等人揭晓谜底,而彼时雷达已经在军事中获得实际应用,这就让雷达的发明受蝙蝠回声定位启发的说法难以自圆其说。我们在惊叹于造物主的鬼斧神工和人类的智慧时,在感谢大自然对人类的馈赠和启发时,更要坚持科学精神,尊重历史,尊重事实。 本文发表于《百科知识》 2020-09 ( A ): 24~26
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回声定辨物体,盲人也能看世界
热度 1 sheep021 2011-3-15 14:57
如果说盲人不借助任何仪器,通过特殊的训练,即可象常人一样生活,对周围的环境了如指掌,可以打篮球,投篮,大街上玩滑板车,在车流如织的马路上骑自行车,甚至打电子游戏、在学校组织的晚会上跟女同学跳舞。你相信吗?如果真见到这么一个人,你会觉得这是巫术吗? 如果有人说, 毁去凡目不见障,心眼一开万物现 ,你相信吗? 说实在的,我真有点不敢相信。 但是,这个世界就是奇妙。只有你想不到的,没有做不到的。 搜索了一下,单单是上报道的,竟然就有不少这样的人。还有一个著名的教练——美国加州 盲人丹尼尔·基什,有几个盲童就是在他的帮助下,获得了回声定位能力。从而可以“看”到这个花花世界。 “蝙蝠”盲童用回声看世界 玩滑板会急速转弯 来源:信息时报 安德伍德自己都认为不是盲人。   时报综合报道 美国加利福尼州的本·安德伍德15岁了,他两岁时失去了视力,不得不把两个眼球都摘除。不过,他具有一种超强的“回声定位”能力,会用舌头发出声音,再根据回声感知周围的世界,像蝙蝠一样行动自如,根本看不出是个盲童。   玩滑板、踢足球哪样都难不倒他   现在的安德伍德是个活泼好动的孩子,像所有少年一样,他喜欢滑板、投篮、打电子游戏、在学校组织的晚会上跟女同学跳舞。安德伍德自己也不认为自己是个盲童。他在街上滑板滑得飞快,在街角能够急速转弯。与小伙伴玩足球也不落下风。 安德伍德在大街上行动自如。   安德伍德说,当他在街道上行走时,他能够分辨出哪是路哪是障碍。他甚至能够打篮球,通过回声分辨出哪里是柱子,哪里是篮球架,所以投篮很准。他对声音的敏感度极高,甚至能很快分辨出电子游戏中的不同声音,所以玩电子游戏也很在行。 安德伍德在“听”盲文老师讲课。   用舌头发出声音用回声感知世界   如果你靠近安德伍德听一听的话,你就能听到一种奇怪的声音,他就是用声来感知周围环境的。安德伍德先是用舌头发出一连串的声音,然后用耳朵听这些声音碰到物体后发回的回声,根据回声的不同而判断前面的物体是什么:当回声柔和时,那是金属;当回声发闷时,那是木质的物体;当回声尖利时,那是玻璃。距离怎么判断?根据回声的大小高低来判断,准确无误! 安德伍德在课室里开怀大笑。 安德伍德在查找盲文书籍。 英国一盲童借回声看世界行走自如 - 童年网-未成年人门户 发布: 2008-7-18 09:34 作者: tongnian 英国男童萨缪尔·奥德里奇双眼皆盲,却能够像蝙蝠或海豚一样靠回声来“视物”,双眼皆盲的萨缪尔甚至能够在车流如织的马路上骑自行车,他也因此被人们称做是“海豚儿童”。 患脑瘤双眼失明 据报道,当萨缪尔只有3岁时,他43岁的医生母亲杰奎就发现儿子的视力出了问题。杰奎回忆说:“当时我和萨缪尔在读一本书,我发现他要将书放到距眼睛很近才能看清楚。他的视力后来越来越糟糕,于是我们带他去医院检查。结果核磁共振扫描显示,萨缪尔的右眼后面有个高尔夫球大小的肿瘤!我们被告知,这是一个良性肿瘤,可以通过治疗让它消失。然而此时,萨缪尔的右眼视力已经完全丧失,他的左眼也只拥有微弱的视力。” 一周后,萨缪尔在伦敦大奥蒙德街医院接受了紧急治疗手术,几个月后萨缪尔再次接受了测试,结果显示虽然他的大脑肿瘤被消除了,但他的左眼视力也已完全消失,年幼的萨缪尔成了一个看不见任何东西的盲童。 像海豚一样“回声定位” 尽管萨缪尔失去了视力,但他并没有特别惊慌,而是仍然和10岁的哥哥尼克一起在家中奔跑玩耍。母亲杰奎说:“我们悲痛极了,如果一个成人失去视力,他们一定会惊慌失措,但萨缪尔却并不太惊慌,他只是有时候会问我们:‘为什么我的眼睛看不见东西?’萨缪尔渐渐适应了没有光明的生活,他像其他孩子一样上学,一样学着骑自行车或游泳,除了他的书本是用盲人点字法编写的。” 没多久,杰奎和萨缪尔就通过一家慈善机构认识了41岁的美国盲人丹·基什,基什创造了一种神奇的“回声定位法”,他能够像蝙蝠或海豚一样通过回声来辨别物体。“回声定位法”通常是海豚或蝙蝠在寻找食物时使用的方法,它们可以在每秒钟内发出数百下“喀哒”声,然后通过声音撞上物体后的回声来辨别猎物的位置。基什在孩提时代就因患癌症而失明,他是在偶然中发现了人类也可以通过“回声定位法”来“辨别物体”的。 基什称,由于人发出的声音相比蝙蝠或海豚速度更慢、频率更低,所以人类只能通过“回声定位法”识别更大的物体,而无法像蝙蝠那样可以识别出“一只蚊子”。 行走自如还能骑自行车 萨缪尔和基什共同生活了好几天,基什教萨缪尔如何通过舌头发出响亮的“喀哒”声,并且如何辨别声音撞上前方物体后返回的“回声”,然后如何在大脑中建立一幅虚拟的景物画面。 母亲杰奎说:“我们震惊地发现,双目皆盲的丹竟然能够在车流如织的马路上骑自行车,他能够通过‘回声定位法’辨别前方的物体到底是一根电线杆还是一棵树。丹甚至还能带领其他盲人骑登山车进行旅游,到荒原中远足,他能用语言清楚地描述周围的景色,就好像他能将周围景物看得一清二楚一样!” 在基什的帮助下,萨缪尔很快就学会了“回声定位法”,他能够轻易识别自己走过道路上的所有物体。双眼皆盲的萨缪尔即使在人流如织的大街上也能自如行走,而不会撞上其他行人或电线杆。母亲杰奎说:“我惊讶地看到萨缪尔能够自如地走进一家购物中心,他仿佛又拥有了一双眼睛。通过掌握‘回声定位法’,萨缪尔现在能够到门口的邮箱中帮我们取邮件,能够在超市走廊中自由穿行,他甚至还能像其他孩子一样游泳或练跆拳道。如果他在学校的操场上迷失了方向,他只需用嘴巴发出几下‘喀哒’声,马上就能轻易地返回教室。我们真的为他感到骄傲。” 据悉,由于萨缪尔在走路时嘴巴中经常会发出响亮的“喀哒”声,许多路人都会感到相当困惑。不过,当人们知道萨缪尔是个盲童,却能轻而易举地绕过停泊的汽车或灯柱在街上行走时,他们几乎都不相信自己的眼睛。据悉,萨缪尔现在已经被当地人比喻成是“海豚儿童”。 美国14岁盲童学会类似蝙蝠的回声定位法_新闻中心_新浪网 美国《人物》杂志日前报道,美国加利福尼亚州首府萨克拉曼多市14岁男孩 本•昂德沃德【 本博注;此人就是 美国加利福尼州的本·安德伍德 】 从3岁起就双目失明,然而现在,他却能像其他同龄孩子一样自由自在地溜冰、玩电子游戏,甚至踢足球和打篮球。原来他学会了一种只有蝙蝠和海豚才会的“回声定位法”。   据报道,本的舌头会发出一系列声音流,声音碰到物体后会产生只有本能听见的回声。如果回声是软的,那表示前面有金属物;如果回声很浓厚,表示面前有树木;如果回声尖锐,表示前面是玻璃。通过回声的响亮和微弱程度,本还可以在心中测量出物体距自己的距离。    “回声定位法”一般是蝙蝠和海豚等动物才有的本能,美国盲人心理学家丹•基什说:“他的技能非常罕见,本将人类的感觉推到了极限。”美国盲人基金会称,世界上只有少数盲人能掌握“回声定位法”,而本正是其中最出类拔萃的一个。   一次,一名5年级男孩打一下本然后撒腿逃跑,因为他确信本不可能追上自己。可这名男孩显然大错特错了,本对记者回忆说:“我朝他追了过去,最后我追上了他并朝他脸上狠狠回了一拳。他以为我追不上他,可我能辨别出墙和路边的汽车停在哪儿。”(沈志珍 编译)    英7岁盲童成投篮高手 回声辨位获赞蝙蝠男孩(图) - 新闻 - 加拿大... 据英国媒体6日报道,英国7岁男孩卢卡斯·默里出生时就双目失明,然而,在美国加州41岁盲人丹尼尔·基什的帮助下,卢卡斯学会了一种神奇的“回声定位法”,令他能够像蝙蝠或海豚一样靠回声来“视物”。如今,双眼皆盲的卢卡斯依靠弹舌头制造的回声,不仅在车水马龙的大街上也能行走自如,甚至能打篮球、玩攀岩等高难度运动,而他也因此被人们称做是“蝙蝠男孩”。 美国盲人基什教卢卡斯如何通过弹舌头发出响亮的“嗒嗒”声,并且如何辨别声音撞上前方物体后返回的“回声”,然后如何在大脑中建立一幅虚拟的景物画面。令人惊喜的是,在仅仅接受了3天的密集训练后,卢卡斯就学会了“回声定位法”,并能渐渐识别道路上的物体。 经过一段时间刻苦练习之后,双眼皆盲的卢卡斯即使在车水马龙的大街上也能自如行走,而不会撞上其他行人或电线杆。最不可思议的是,如今双目失明的他已经可以和其他同龄孩子一起自由玩耍,甚至还能打篮球、玩攀岩等高难度运动,他可以准确地知道篮圈的方向、距他有多远,然后将球投出。(吴文)
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【翻译】蝙蝠回声定位经过了几次进化??
Bearjazz 2011-1-15 11:27
【翻译】蝙蝠回声定位的进化概述 ( Li et al., 2007 ) 熊荣川 译 随着研究的深入,我们对于现存蝙蝠类群的系统发育关系认识得到了相当的深化。蝙蝠类动物祖先大概是在 8000 万年前从 劳亚兽总目分化出来并在始新世形成多种古蝙蝠类物种。 传统的观点把蝙蝠(翼手目,译者注)分为两个亚目,即小蝙蝠亚目 Microchiroptera (使用喉部部发出的超声进行回声定位)和大蝙蝠亚目(旧大陆果蝠类,辖单科 狐蝠科 Pteropodidae )(大蝙蝠亚目不使用喉部发出超声进行回声定位,译者注)。但是,前者(小蝙蝠亚目的分法)已被证明存在争议。取而代之,现代更为可信的分子系统进化树将大蝙蝠类群及原属小蝙蝠亚目的菊头蝠总科的部分物种(蹄鼻蝠和 allies )划为新的一支叫做 Yinpterochiroptera ;其它的小蝙蝠亚目则单独聚为一支。这一新的分类产生了这样一个问题,喉音回声定位是两次独立进化的结果还是只是一次进化后在旧大陆果蝠中发声丢失。即使化石类蝙蝠和现存回声定位物种的相似性似乎支持前面一种假设,还是有研究支持两个喉音回声定位类群的趋同进化。 考虑到个洞栖果蝠属 Rousettus 物种后来进化出简单的弹舌音回声定位,喉音回声定位的丢失解释相对更为可信。 关键词:蝙蝠 回声定位 分子系统 Our understanding of the phylogenetic relationships among extant bat species has increased considerably over the past two decades ( Hutcheon et al., 1998 ; Murphy et al., 2001 ; Springer et al., 2001 ; Teeling et al., 2002 ; Van den Bussche et al., 2004 ; Eick et al., 2005 ; Teeling et al., 2005 ) . Bats diverged from other ordinal groups within the Laurasiatheria around 80 million years ago ( Springer et al., 2001 ) and diversified in the early Eocene ( Teeling et al., 2005 ) . Bats were traditionally split into the two suborders Microchiroptera (bats that echolocate by producing sounds in the larynx) and Megachiroptera (Old World fruit bats represented by the single family Pteropodidae), however, the former is now known not to represent a true clade. Instead, the emerging and highly resolved molecular tree places all megachiropterans (which do not possess laryngeal echolocation) with some members of the microchiropteran superfamily Rhinolophoidea (horseshoe bats and allies ) in a proposed new clade called the Yinpterochiroptera ( Springer et al., 2001 ; Teeling et al., 2002 ; Teeling et al., 2005 ) . Other microchiropterans group together in a second clade-the Yangochiroptera-and this new arrangement raises the question of whether laryngeal echolocation has either evolved twice independently or has been lost in the Old World fruit bats ( Springer et al., 2001 ; Teeling et al., 2002 ; Teeling et al., 2005 ; Jones et al., 2006 ) . Although similarities between early fossil bats -which appear basal to all other bats-and extant echolocating species appear to support the latter scenario ( Jones et al., 2006 ) , others have argued in favour of convergence in the two clades ( Eick et al., 2005 ) . A possible loss of laryngeal echolocation appears especially interesting given that one genus of cave roosting fruitbat ( Rousettus ) has subsequently evolved a simple from echolocation based on tongue clicking ( Jones et al., 2006 ) . 参考文献 Eick G. N., Jacobs D. S.,Matthee C. A. (2005). A nuclear DNA phylogenetic perspective on the evolution of echolocation and historical biogeography of extant bats (Chiroptera). Molecular biology and evolution 22 (9): 1869-1886. Hutcheon J. M., Kirsch J. A.,Pettigrew J. D. (1998). Base-compositional biases and the bat problem. III. The questions of microchiropteran monophyly. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 353 (1368): 607-17. Jones G,Teeling EC (2006). The evolution of echolocation in bats. Trends in Ecology Evolution 21 (3): 149-156. Li G, Wang J, Rossiter SJ, Jones G,Zhang S (2007). Accelerated FoxP2 evolution in echolocating bats. PloS one 2 (9): 1-10. Murphy W. J., Eizirik E., O'Brien S. J., Madsen O., Scally M., Douady C. J., Teeling E., Ryder O. A., Stanhope M. J., de Jong W. W.,Springer M. S. (2001). Resolution of the early placental mammal radiation using Bayesian phylogenetics. Science 294 (5550): 2348-2351. Springer M. S., Teeling E. C., Madsen O., Stanhope M. J.,de Jong W. W. (2001). Integrated fossil and molecular data reconstruct bat echolocation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 98 (11): 6241-6246. Teeling E. C., Madsen O., Van den Bussche R. A., de Jong W. W., Stanhope M. J.,Springer M. S. (2002). Microbat paraphyly and the convergent evolution of a key innovation in Old World rhinolophoid microbats. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 99 (3): 1431-1436. Teeling E. C., Springer M. S., Madsen O., Bates P., O'Brien S. J.,Murphy W. J. (2005). A molecular phylogeny for bats illuminates biogeography and the fossil record. Science 307 (5709): 580-584. Van den Bussche R. A.,Hoofer S. R. (2004). Phylogenetic relationships among recent chiropteran families and the importance of choosing appropriate out-group taxa. Journal of Mammalogy 85 (2): 321-330.
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[小红猪]像蝙蝠那样看世界
ELOA 2009-5-28 13:49
用声波看到的世界会是什么样?Daniel Kish自幼失明,他将告诉我们一切 原文 ,翻译:tantuyu 他的其它译文看 这里 、看 这里 、看 这里 那时我六岁,是我上学的第一天。下课铃响了,除了我,同学们都欢快地跑出教室。我是个盲人,看不见周围的世界,至少用眼睛看不到。但我一边弹舌,一边侧耳倾听从左边墙壁反射的回声。我伸出手摸索着向前走,避免撞到东倒西歪的椅子上。我听到同伴们的欢笑和叫嚷,同时我也通过弹舌辨别前方所出现的走道的墙面。这是我生平第一次穿过走廊来到操场。 走了几步,我停下来听一听。我脚下的人行道平行于身后的建筑,我就站在人行道的一个豁口上面。我把舌头弹得很响,把头左右转来转去。一闪而过的话音、拍球的声音、匆匆的脚步声,这些都被我一一记录在脑海里,一条道路的样子出现在我面前。我周围是什么?我怎样到那里?我怎么回来? 我快速地弹着舌头并检测它们的回声,小心地向前移动。到处是飞奔的孩子,我不断捕捉这些稍纵即逝的声音并在脑海中形成一系列景象。我尽量朝空旷的地方走,避开成群结队的人和弹来弹去的皮球。我并不害怕这一点令我自己也很吃惊。我扭过头弹了弹舌头,听到旁边建筑反射回来的回声。只要我还能听得见这些回声,我就可以找到回来的路。 我感到脚下的路渐渐向下倾斜。我继续向前走,前方的声音听起来感觉有些柔和,这说明前面有一大片草地。终于,我站在了草地上。我加快脚步,不再害怕会被奔跑的人撞到或者被飞来的皮球砸到。突然我感到前面有东西,于是我停下脚步。嗨起先我试探着打了个招呼,以为那有一个人静静地站在那里。我弹了弹舌头,从回声判断,前面的东西很细,不可能是一个人。 在伸出手摸到它之前我意识到那可能是一根杆子。我又朝周围弹了弹舌头,发现周围还有一样东西。我离开那根杆子朝它走去,然后发现那还是一根杆子,而且我又接二连三找到了一共九根同样的杆子,它们排成一条线。我后来才知道这些杆子是一条滑雪道上的标杆,我当然不会想要去滑雪,但我学会了靠弹舌的回声来定位一排排的树木,把它们当作标杆来练习自己的自行车技术。 这时传来一阵嗡嗡声。我弹着舌头左右搜寻,但我却听不到那座建筑的回声。于是我拍了拍手,我听到了回声,同时也听到了从那个方向传来的孩子们奔跑的声音。后来我知道了操场的位置,我也可以跑了。我边跑边弹舌拍手,我可以听到远处墙壁反射的回声越来越近越来越响亮。 孩子们在墙跟前排着队,但我不知道自己的队伍在哪里。我只好问别人,人家给我指出了正确的方向。我弹着舌排到自己的队伍后面。当我们走进教室的时候,我靠弹舌来避免碰撞到其他人。当确定我离面前的墙壁距离合适的时候,我转向左边并找到自己那张摆着盲文写字板的桌子。坐下来后我还在想,下次课间休息的时候我一定要看看操场到底有多大,它是否有斜坡。 我上学的那个时候,盲人孩子要么等着别人带路要么靠自己去探索。我的方法是靠听弹舌反射回来的声音判断我周围的物体。靠这种方法我可以对自己周围的环境有一个三维的概念。 我不记得自己是在什么时候、如何学会使用这种声波定位法的,那时我还很小。我倒是记得在我两岁半的时候,有一次翻过邻居家的篱笆后就是用这个方法来探测自己周围有什么东西的。 从小我就能够独立做很多事情,当然,如果别人乐意帮助我的话我就更开心了。在洛杉矶住的时候我可以骑自行车穿过整个小区;可以跟朋友们玩捉人的游戏;可以爬树,也可以徒步到我想去的任何地方。 为此我要感谢我的父母。他们为我提供和正常孩子几乎一样多的机会,他们相信我能够自己解决问题。 我当然不是第一个自学声波定位法的人。实际上,人类利用声波定位的历史可能跟人类自身的历史一样悠久。有被动式和主动式两种声波定位法。被动式声波定位法是指利用环境中的声音来对环境进行判断,比如我们自己的声音在不同的环境下听起来就会有所不同。 在学会使用照明以前,人类就是靠声音定位的方法在黑暗中寻找出路,我认为这是人类天生就有的一种能力。 有记载盲人使用声波定位法的历史可以追溯到十八世纪中叶。法国哲学家狄德罗在1749年记述了一个盲人朋友对身边的环境非常敏感,他可以区分一条通畅的路和一条死胡同。在十九世纪,著名的盲人旅行家James Holman记录了他通过用手杖叩击地面或听路上的马蹄声来感知周围的环境。 那个时候的人还不知道这个技巧的基本原理。有人认为是面部皮肤在起作用,所以也把这个方法叫做面部视力。直到1940年才有一系列的实验证明这种能力依赖于听到的回声。 利用回声我们可以感知物体的三个特征:它们的位置,大小和形状,还有就是它们的性质是坚固的还是松散的,表面是光滑(可反射声音)的还是粗糙(吸收声音)的。大脑可以利用这些信息对周围环境形成一个印象。 例如,我这样感知一辆停着的轿车:它是一个大的物体,两端低矮中间高。高度和坡度的不同让我可以区分车头和车尾通常车头更低矮一些,而且到车顶的坡度也不大。 我还可以判断车型。比如,一辆皮卡通常个头比较高,从车底反射回来的声音比较空洞。而一辆SUV个头也挺高,但车底反射的回声感觉比较厚实。 一棵树的下面,也就是树干的部分听起来相对较细也比较结实,越到高处感觉就越宽阔越稀疏。另外比如树的尺寸、枝叶的疏密或者分杈的高度等更细微的特征也是可以确定的。 被动式声波定位法依赖一些偶然产生的声音,例如脚步声。这样形成的画面比较模糊。相反,依靠比如弹舌这样的主动式声波定位法所形成的图像就精确得多。我和我的大学同学把这种方法称为闪式声纳,因为我们每次弹舌后得到的印象就好比正常人在黑暗中当闪光灯一闪的时候看到的一幅画面。 闪式声纳 由于声源主动产生的信号比较稳定,因此,哪怕在嘈杂的环境里大脑也可以捕捉这种特殊信号,就好比在人群中很容易辨别一张熟悉的面孔一样。 这种主动信号的特征也可以根据不同的需要而改变,比如我在快速移动的时候弹舌的频率就比较快,而在安静的环境下弹舌的频率就低,这样可以避免接收许多不必要的信息。像建筑物这样大型的物体在几百码外就可以探测到,而如果距离足够近,哪怕信用卡那么小的物体也可以被察觉。 闪式声纳最大的局限在于图形-背景辨别,即将某个物体或图形从它周围一系列物体中区别出来。因为各种元素倾向于混杂在一起,所以像辨别不同的面孔这样的事情是不可能办到的。另外,噪音太大或大风的环境也会干扰回声,这时候就需要把舌头弹得更响更频繁。 我现在把一部分时间花在闪式声纳的教学上。起初我接受的是心理学培训,后来我成为美国第一个完全丧失视力的辨向及移动专家,专门辅导盲人克服障碍。在这个领域工作了几年以后,我感到普通的盲人教育并没有做到充分发挥盲人的潜能。 于是,我开发出自己的一套教学方法来帮助盲人学生更广泛地参与各类活动包括独自骑自行车,进行球类运动,单独进行野外徒步运动有时甚至带有竞赛的性质。总之,我希望帮助他们尽量克服社交活动上的困难。 2001年我辞职并创办了一个叫做面向全球盲人的非营利性组织,希望全世界的盲人都能够分享我们的方法。我们走进家庭帮助那些失明的人们去做任何他们期望的事情。我们也办培训班来培养这方面的老师。 我们的培训包括很多方面,其中最有名的就是教授闪式声纳法。闪式声纳法可以让盲人感知他们周围的环境,比一根手杖所能起到的作用大得多,因此这个方法很快被其他从事盲人辅导工作的同行所认可。我们也是第一家系统性教授这一方法的机构。 开始的时候,我们通过让学生探测并定位一些类似塑料板或碗这样的大物件来训练他们对回声的敏感性。一旦学生掌握了这个技巧,我们就开始教他们辨别更复杂的回声,并让他们把这些回声跟熟悉的回声进行比较。 例如,当面对一道栅墙的时候学生会问:它听起来挺结实,对吗? 然后我可能反问他:像你家的墙壁那么结实吗? 不,没那么结实她说。 那么它像院子周围的栅栏那样稀松吗? 也不像,比那个要厚实一些。她答道。 这时我们就会把问题拓展开来:它让你想起房子附近的什么东西吗? 灌木丛?她问道。 跟灌木丛有什么区别吗? 比灌木丛平整,有点像栅栏。 最后我们让学生触摸并确认他们所听到的物体。 除了训练,我们还开发了一种叫做脉冲式发声器的头部佩戴装置。它可以像蝙蝠那样发出高频率的声响,当然这种声音是在人类的听力范围内的。使用这个装置的效果要比弹舌产生的回声定位效果好三倍。 我们在跟生物学家合作,希望进一步了解动物是如何利用回声定位来感知周围环境的。我们也跟人工智能方面的研究人员合作,研究如何使机器人利用声纳导航。此外我们还跟神经生物学家合作研究脑的成像系统。 我们希望全世界的盲人都能从我们的方法中获益,从而过上更高质量的生活,有机会尝试更多的选择。通过在媒体上介绍那些获得成功的盲人学生,我们正在改变人们对盲人能够做什么的看法。我们希望帮助盲人充分发挥自己的潜能,让他们认识到自己并非离开了手杖或别人的帮助就什么也干不了。 附: 回声定位法初学者指南 闭上眼睛,请别人在你的脸前方举一个小碗或开口的盒子。开始说话并倾听,感觉自己回声有多空洞(这个时候你靠弹舌可能还难以辨别,除非经过了大量训练),并跟前方没有盒子的情况下进行对比。 下一步,换一个大些的盒子或罐子,听自己的回声并感觉它们有多深沉。 换成枕头或坐垫进行练习,注意感觉回声的软硬程度。 试着走进一间屋子,当你在角落时候倾听声音是否显得很空,再把脸转向一边听声音有何变化。 人工回声定位 人类的回声定位受到听力范围的限制:我们能听到多少细节取决于声音的波长。用超声波揭示细节的精细程度要比普通声波强十倍,这也是为什么许多研究组年复一年致力于开发像超声手杖、K-声纳这样一些利用超声波系统导盲的装置。 虽然超声波装置可以探测到5米以外只有邮票大小的物体,但它也有很大的局限性,它却察觉不了十米开外的一面谷仓墙壁。另外,如何把超声影像转化为使用者可以理解的触觉或听觉信号也是一个问题。 还有,设计这些装置的工程师可能并不真正了解盲人的需要。比如说,盲人要求能够轻松灵活地使用手杖,你就不能在上面装个沉甸甸的劳什子。基于这些原因,人工回声定位装置一直都很难流行起来。 校对(桔子)按:本来有点怀疑这个内容,又怕是什么双关语没稿明白查了wiki (human echolocation) 才知道货真价实。里边也提到了19世纪盲人利用回声定位的事情,还有那位军人旅行家詹姆斯霍尔曼更详细的信息;另外描述了一个比较有趣的现象:有些盲人走过一排树的时候会感到一种压力,据推测这实际上是他们敏感地听到了自己脚步声所产生的回声,只是他们自己不知道罢了
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