超声波头盔让任何人都能像蝙蝠一样“看见”

“它用舌头发出咔哒声，以此了解自己在空间中的位置。这基本上就是蝙蝠所做的。”这就是科学播客 Invisibilia 最近对丹尼尔·基什的描述，他是一名盲人，自学了如何通过回声定位导航。但他们的描述略有偏差。虽然人类和蝙蝠都可以通过回声描绘视觉景观，但尖耳朵飞行者拥有一个明显的优势：超声波。

这些较高的频率可以提供更清晰的世界图像，它是“声波眼”——一种可以复制蝙蝠回声定位的头盔——的基础。

斯坦福大学理论神经学家、该技术联合创始人 Jascha Sohl-Dickstein 表示：“我们想知道人类是否需要特殊的神经线路来实现回声定位，或者人类大脑是否可以利用与蝙蝠（拥有专门用于超声波的耳朵）相同的音频信息来实现回声定位。”

该设备是索尔-迪克斯坦和他在加州大学伯克利分校的前同事们发明的，作为一项业余项目，其顶部有一个扬声器，可以像蝙蝠一样发出超声波。当回声从物体上反弹时，声波会传到两个蝙蝠形耳朵（称为耳廓）中，这两个耳朵位于头盔的两侧，有助于判断回声的方向。每个耳廓由粘土制成，中心嵌入一个超声波麦克风。计算机程序记录回声并立即将其减慢 20 倍。

降低语速和音调，人耳就能听到难以察觉的超声波回声。佩戴 Sonic Eye 的人可以利用回声延迟来判断距离，或者在脑海中追踪周围环境（见下方视频）。在上个月发表的一项研究中，该团队表明，蒙着眼睛佩戴 Sonic Eye 的人可以判断餐盘是向左/向右还是向上/向下移动了约 20 厘米——刚好超过一张美元钞票的长度。

除了可能帮助盲人之外，新设备还很好地证明了人类大脑天生就能够理解高清声音，就像蝙蝠一样。其他辅助设备曾尝试收集超声波回声，但它们通常会重新处理声音，从而丢弃大量空间信息。

“这就是它的创新之处。人们使用声波眼对环境做出合理判断，但除了降低采样率外，它不会对信号做任何其他处理，”英国杜伦大学心理学家洛尔·泰勒 (Lore Thaler) 表示，他并未参与该设备的研发。

泰勒专门研究人类回声定位，她的研究表明，回声定位专家的声音感知能力介于视觉和听觉之间。当像基什这样的盲人回声定位专家坐在 fMRI 中，咂舌并听到回声时，他们的视觉中心会因大脑活动而亮起，就像视力正常的人看到东西一样。

但这里有一个很酷的转折。当盲人和视力正常的人尝试回声定位时，大脑中与理解视觉运动相关的另一个区域就会启动。

“看来大脑处理回声定位的方式与其他类型声音的信息有所不同，”泰勒说。“回声定位并不像其他听觉一样，而是一种特殊的空间听觉形式，大脑可能将其与听觉的其他方面区分开来。”

目前，盲人回声定位仪的技能远胜于接受过该技术训练的视力正常人，因为许多人像基什一样，在孩童时期就培养了这种才能。他们花了几个月甚至几年的时间才练就了这种技能。问题是，声波眼是否也能达到同样的效果。

“理论上，超声波信号比回声定位器用舌头发出的信号分辨率更高，”目前就职于麻省理工学院的感觉神经科学家兼联合开发者桑塔尼·滕 (Santani Teng) 说道。由于波长较短，蝙蝠发出的超声波啁啾声从物体上反射的声波比人类声音的任何回声都多。超声波回声有更多的碎片反弹回来，这为大脑提供了更多的空间信息。蝙蝠可以感知到最小 6 毫米的差异——或者三枚镍币叠在一起的厚度。

使用超声波的更好的音频空间图像可能会加速人类的回声定位学习过程。此外，泰勒说，大多数失明的人类回声定位者仍然使用手杖，因为他们难以判断高度和检测地面附近的障碍物。她说，看看未来的用户是否能更轻松地追踪地面上的物体将会很有趣。

“你不会想屏蔽掉人们导航所需的感官线索，”滕说。例如，蝙蝠可以根据它们捕猎的猎物的大小来调整超声波脉冲。滕说，盲人用户应该能够随意改变超声波输出。

但该团队的联合开发者本杰明·高布 (Benjamin Gaub) 表示，在开始对盲人进行研究之前，该团队希望将目前的原型缩小为头带。高布是伯克利大学的神经科学博士生，他正在将 Sonic Eye 开发成适合视障人士使用的产品。目前，Sonic Eye 需要背包中的笔记本电脑来安装该设备的软件，但经过一些调整，这个简单的程序可以在微芯片或智能手机上运行。该团队还将咨询湾区的盲人社区，以定制其他功能。