首次捕捉到，人在說話時產生飛沫的畫面

2020-11-05 原理




肆虐全球近一年的COVID-19的其中一種傳播方式，就是通過說話時噴出的飛沫進行傳播，但在口中產生飛沫的確切機制尚不清楚。最近，一項新的研究首次展示了在日常說話時，口腔內的液滴是如何產生的。


10月2日，法國蒙彼利埃大學的Manouk Abkarian和普林斯頓大學的Howard Stone將他們的研究結果發表在了《流體物理評論》上。在這項研究中，他們利用高速成像技術，首次直觀地捕捉到了人們在說話時產生飛沫，並將這些飛沫噴向空氣中的畫面。



今年4月，Abkarian和Stone撰寫了一份提案，他們從流體力學角度分析了說話在無症狀傳播中所扮演的角色。無症狀傳播指的是病毒由那些不咳嗽、不打噴嚏、沒有明顯感染症狀，但與他人保持了正常交流的人進行傳播的情況。


為了進行實驗，他們得到普林斯頓大學的許可，進入學校的實驗室進行這項緊急的研究工作。他們在嚴格地遵守了「安全社交距離」的情況下進行了研究。大部分實驗是在Abkarian自己身上進行的。


研究人員用雷射照射唾液滴,從左邊發出的雷射被擴展成一個從左到右的「薄片」，大約有一米高。研究人員站在雷射平面的前面或旁邊，說話或呼吸時所產生的液滴會穿雷射平面，產生可被記錄的閃光。| 圖片來源：Manouk Abkarian / princeton.edu


在實驗中，Abkarian在一個充滿了霧氣的房間裡，他對著一張「雷射平面」說話，發出各種不同的音節。雷射平面是一個由雷射構成的又平又薄的平面。任何離開Abkarian嘴巴的顆粒，都可以在穿過這個雷射平面時，在光的散射效應下被顯現出來。


接著，他用高速攝像機捕捉到了這種散射，從而可以對每一個音節所產生的液滴過程進行記錄。這臺高速攝像機被聚焦並放大在說話者的嘴部，它能在強光照下以每秒5000幀的解析度攝像記錄細節。



這種毫秒級的逐幀畫面清楚地顯示了，當我們張嘴準備說話時，最先會在嘴唇間隙上產生一層薄薄的潤滑的唾液膜；當嘴唇分開時，這層液體會在垂直方向被拉成一層薄膜；僅在一毫秒之內，這層薄膜就會變得不穩定，它會擴展成一毫米的寬度，然後分裂成許多細絲。這些細絲很薄，很快就延伸到幾釐米長，最後變成液滴，以飛沫的形式被氣流帶出說話者的嘴巴。


在這個過程中，唾液的一種被稱為「黏彈性」的特性扮演了至關重要的角色。當來自肺部的向外氣流經過嘴唇時，這些細絲會因此得到拉伸。然後在表面張力的作用下，被拉伸的細絲分裂成一系列極小的液滴，飄散在空中。整個過程發生所持續的時間非常短。


在發出「p」和「t」這類需要將嘴唇碰在一起才能發出的爆破音時，這些液滴可以最有效地產生。另外，「t」和「d」這類需要舌頭碰觸上牙的音節，也會以較大速度產生大量液滴，因為在發出這兩個音節時，在嘴唇之間或舌頭和上顎之間的狹窄且充滿唾液的空間裡會產生一股空氣。相比之下，如m一類主要通過鼻子輸送空氣的音節（比如「媽媽」），產生的飛沫就很少。元音音節所產生的飛沫也非常少。



在這項研究之前，人們曾普遍假設液滴的形成有兩種方式：一種是產生自肺部深處的薄膜破裂，另一種是氣流將液滴從上氣道（包括咽喉和口腔）的被唾液包裹的表面剪切下來。現在，除了Stone和Abkarian清楚記錄的機制之外，我們還尚無法判斷其他那些機制是否也在發揮著作用。


在分析了唾液的物理特性及其與嘴唇之間的相互作用後。研究人員認為，佩戴口罩是一種有效阻擋一部分飛沫排出的手段；另外，使用潤唇膏這一簡單措施，能破壞嘴唇上細絲的形成，可將說話時的飛沫產生量降低至1/4。


值得一提的是，Stone和Abkarian認為，那些說話時會產生很多唾沫的人，並不一定就是COVID-19或其他唾液傳播疾病的超級傳播者。這是因為，任何飛沫的傳染性都可能取決於它所含的病毒數量，而一個能產生大量飛沫的COVID-19感染者，並不意味著其唾液或呼吸道中的病毒含量就很高。


他們推測，COVID-19的超級傳播者可能是一些唾液具有較強黏彈性的人，這能夠優化說話時所產生的飛沫量。此外，他們還進一步地在思考，病毒是否也會引發了唾液產生流變性改變，從而增強病毒的傳播。能夠更好、更深層地了解這些微小液滴的形成和傳播，對當前的COVID-19疫情，以及未來疫情爆發的預防，具有重要參考意義。



研究人員希望，待當地的疫情趨於穩定時，他們可以邀請更多的人來參與這項研究，以證實他們所記錄的液滴產生機制是人類語言的一個普遍特徵。他們還感興趣與研究語言之間的差異，因為在不同語言的發音中，不同音節所出現的頻率也有所不同。比如在有的語言具有更多爆破音，這可能會比說那些有著更多元音的語言的人產生更多液滴。


研究人員認為，想要從各個層面了解COVID-19究竟是如何傳播的，還有大量的研究需要進行。他們希望這項研究對於抗擊目前仍在肆虐的流行病能起到一定幫助作用。


參考來源：

https://www.princeton.edu/news/2020/10/12/how-exactly-do-we-spread-droplets-we-talk-engineers-found-out

https://physics.aps.org/articles/v13/157


封面圖來源：PublicDomainPictures / Pixabay

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