科學家研究盲人如何回聲定位

Kish可以回聲定位
Kish可以回聲定位(圖:ZUMA Press, Inc/Alamy Stock Photo)

失明人士無法用眼睛看見物體,但這並不意味著他們對周圍的環境一無所知。一些盲人可以像蝙蝠一樣「回聲定位」(echolocate),用嘴巴發出聲音,通過回聲了解周圍的環境。研究人員對盲人這種回聲定位的能力進行了詳細研究,期待幫助更多失明人士。

 

用聲音獲得「視覺」

人類的感覺可以由不同的感覺器官,如眼、耳、鼻、舌等引起,通過一系列神經通路,在大腦皮層形成特定的感覺——視覺、聽覺、嗅覺、味覺。因此,感覺的根源在於大腦。之前的研究顯示,在盲人的回聲定位過程中,參與的一部分大腦區域在視覺正常人群中與視覺有關。這意味著即使沒有通過眼睛獲得影像,盲人一樣可以在大腦中形成「影像」的感覺。

很多盲人可以通過環境中的回聲了解周圍的環境,但有少部分的盲人可以自己發出聲音,像蝙蝠一樣回聲定位。自少失明的 Daniel Kish 便擁有這樣的能力,他可以通過發出聲音,描繪出房間的樣子,甚至沿著不熟悉的路線進行山地自行車運動。Kish 幾乎從出生開始就失明,但通過回聲定位,他可以體驗到類似於影像的感覺。

Kish 表示,這些影像並不是由計算所得出,而是由空間物體形成的一種確實、可感知到的體驗。走進房間,Kish 可以指出這裡是牆壁,這裡是拐角,那裡是一個物體。

盲人回聲定位中的聲學

英國杜倫大學的 Lore Thaler 團隊首次對盲人回聲定位進行了深入的聲學分析。他們邀請了 Kish 和其他兩位可以自己回聲定位的盲人參與研究。

分析發現,盲人回聲定位時用到的聲音與普通人類談話的聲音有所不同。首先,回聲定位的聲音非常短促,只有 3 毫秒。Thaler 認為這可能是為了防止發出的聲音掩蓋回聲。其次,這種聲音頻率更高,為 2-4 千赫茲,高於人類談話的聲音頻率。回聲定位的聲音形成的錐形干擾區*更小更集中,有助於找到物體。回聲定位者無意中便可以將聲音定位到他們想了解的物體。

應用意義

根據分析成果,Thaler 團隊合成了一種敲擊(click)聲音,用於後續研究。他們打算用電腦朝一個物體發出一千次這種敲擊聲音,釐清怎樣通過回聲確定物體的形狀。

了解盲人回聲定位的原理,可以幫助其他盲人學會這種能力,更好地感知周圍的世界。

Thaler 認為,這項研究有助於開發更好的人工聲吶,用於自動駕駛。現行的聲吶系統可以確定物體的距離和形狀,但無法知曉是什麼。人類中的回聲定位者有時可以做得更好。

 

注*:錐形干擾區(the cone of confusion)——在三維空間中,哺乳動物可以根據根據雙耳時間差(interaural time difference,ITD)確定聲音的來源。錐形干擾區的軸通過雙耳相連形成的軸線。對於錐形干擾區而言,錐形表面上任意一點的 ITD 值相同,因此人耳無法確定聲音的確切位置——你無法得知聲音來自於錐形的上面、下面、左邊還是右邊(下圖)。盲人回聲定位者的錐形干擾區為 60 度,比普通談話的 120-180 度更小,再配合頭部轉動,可以方便地定位物體。

錐形干擾區(圖:Kapralos B, Jenkin M R, Milios E. Virtual audio systems[J]. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 2008, 17(6): 527-549.)
參考資料:

  1. Thaler L, Reich G M, Zhang X, et al. Mouth-clicks used by blind expert human echolocators–signal description and model based signal synthesis[J]. PLOS Computational Biology, 2017, 13(8): e1005670.
舒超
明日科學編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。