能回聲定位的不再只有蝙蝠,人類也可以!

圖中所示的聲波圖符合科學家的研究結果。紅線代表人嘴發出的咔嗒聲的常見波形，藍色圖案代表人嘴發出咔嗒聲後，聲波在空間中的行進路線。

對一個盲人來說，丹尼爾·基什（Daniel Kish）的「視力」超乎你的想像。和很多失明者一樣，基什依靠非視覺感官來感知、描繪和穿行於這個世界。但不同的是，他的這種能力相當奇異。原因在於，基什能回聲定位，就像蝙蝠一樣。

小時候，基什自己學著用嘴發出尖銳的咔嗒聲，然後把周圍物體反射的回聲轉換成空間信息。在一段視頻中，基什利用他的這種能力，穿行於一個新的環境中、描述一輛汽車的形狀、識別遠處一棟樓房的建築特徵，甚至還可以騎自行車。

儘管擁有這種非凡的能力，但基什認為，自己沒什麼特別的。「長期以來，盲人一直在利用各種形式的回聲定位，效果有好有壞。」他說。

而且，回聲定位能力可以通過後天習得。

作為盲人無障礙組織（World Access For the Blind）的總裁，基什的使命之一是幫助盲人學習用聲音來烹飪、旅行和遠足，用聲音來辦事，過上更加獨立的生活。「但我們從未系統地研究過自己是如何進行回聲定位的，也沒有研究過它的原理，或者怎樣才能達到最佳效果。」

對於這些問題，近日發表於《PLOS計算生物學》的一項研究給出了大致的答案。該研究測量了基什和其他兩位回聲定位者用嘴發出的咔嗒聲，然後把測量結果轉換成了計算機信號。

杜倫大學心理學家洛爾·泰勒（Lore Thaler）帶領一群研究人員，在一間消聲室裡開展了上述研究。這間屋子的牆是雙層結構，還有一扇沉重的鐵門，同時配備了泡沫等大量隔音材料。在消聲室裡，你聽不見外面的任何聲音；在裡面說話時，也幾乎沒有任何回聲。

那麼，在消聲室裡如何回聲定位呢？我問基什有何感受，滿心以為他會把這稱為一種感官剝奪。結果我錯了。基什說，對他而言，這個地方「聽起來」仿佛是置身於一個無限廣闊的草場中央，面前有一道鐵絲柵欄。

回聲定位者各自發出的三次咔嗒聲的波形

有了這個獨特的空間，泰勒的團隊就可以記錄並分析基什與其他兩位回聲定位者用嘴發出的數千聲咔嗒聲。研究人員使用了微型麥克風，一個放在受試者嘴邊，其餘的則在他們周圍擺成一圈，每個相隔10度，並用細鐵絲懸掛於不同的高度。麥克風和細鐵絲必須要很小才行，因為設備越大，反射的聲音就越多，就會影響測量結果的準確性。

泰勒的團隊最初以為，不同的回聲定位者發出的咔嗒聲，其聲學特性會不一樣。但實際上，他們發出的聲音很相似。泰勒發現，這些聲音具有明亮（大約有3千赫和10千赫兩個高音頻率）和短暫的特徵，只持續3毫秒即消失。

研究人員還分析了回聲定位者用嘴發出聲音之後，聲波在空間中的行進路線。「你可以把它想像成聲音手電筒。」泰勒說，「當你打開手電筒時，光線分布在空間中，其中很多射向前方，但有些也會向左右兩邊散開。」咔嗒聲的波束方向以類似的方式在空間中分布，只不過一個是光線，一個是聲音。

研究人員發現，受試者的口中發出咔嗒聲後，波束方向大致集中於一個60度的錐形範圍內，比說話聲的範圍更窄。泰勒把變窄的原因歸結為咔嗒聲的明亮音調。高頻音調往往比低頻音調更具方向性。如果你搭建過環繞聲系統，你就知道，高音揚聲器的擺放位置比低音揚聲器的擺放位置更加重要。

泰勒團隊利用這些測量結果，模擬出了聲學特性類似於真正咔嗒聲的聲音。

這些合成的咔嗒聲可以用來研究人類的回聲定位能力。由於像基什這樣的回聲定位高手少之又少，這類研究常常受到限制。「現在，我們可以在現實世界中用喇叭，或者在虛擬環境中用電腦，來模擬回聲定位能力，以便在人類身上進行試驗之前，提出各種假設。」泰勒說，「我們可以創造虛擬人物、物體和環境，就像你在電子遊戲中所做的一樣，然後針對虛擬人物聽到的聲音，建立模型。」通過這樣的初步研究，泰勒和其他研究人員可以改進他們的假設，然後再邀請回聲定位高手參與實驗，看看模型與真實情況的匹配程度。

但這些模型不會是完美的。為了確保測量的前後一致性，基什和其他兩位受試者必須在消聲室裡靜止不動。「但在現實世界中，他們會轉頭，會改變咔嗒聲的聲學特性，這可以讓他們更多地掌握周圍的環境信息。」約翰霍普金斯大學的神經科學家辛西婭·莫斯（Cynthia Moss）說。

儘管如此，莫斯稱這項研究很有價值，有助於我們了解人類如何進行回聲定位，甚至能藉此開發出新設備，讓更多的人擁有回聲定位能力。畢竟，並非所有人都能像基什那樣熟練地用嘴發出咔嗒聲。「我研究過一位打響指的人，但他的手很快就會累。」莫斯說。要是有一種設備能發出音調準確的信號，可以不必再學習用嘴發出咔嗒聲，那真是盲人的福音。

我問基什，假如有一種設備可以像他那樣發出聲音，他對此有何看法。他說，這樣的東西已經有了。在他的學生中，大約有三分之一的人無法或者不願用嘴發出咔嗒聲。「但如果你把響板放到他們手中，你馬上就能看到效果。」他說，「它們發出的聲音非常悅耳，出奇地明亮、通透和連貫。」

但基什說，他完全贊成開發更多的設備，進行更多的研究。「我們知道，這些信號對回聲定位過程至關重要。蝙蝠利用它們，鯨魚利用它們，人類也利用它們。所以，我們應該去研究、了解和優化那些信號。」有了泰勒等人建立的模型，基什的願望也許終會實現。