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閉上眼、轉個圈,我還能相信自己的方向感嗎?——《走路的科學》

八旗文化_96
・2020/03/03 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

  • 作者/謝恩・歐馬洛(Shane O’mara);譯者/謝雯伃

我們是如何走到任何地方的?

常識告訴我們,這是走路搭配視覺功能以及動作功能的結果;不過,這忽略了一個明顯事實,那就是盲人(包括天生眼盲者)以及視障人士也能朝向特定目的與方向行走;他們可以在看不見空間的情況下,於複雜的三維空間中確定方向。他們可以在複雜環境中找到自己的路,也能找到路回到起點。至於那些視力沒問題的人,矇起眼睛也能做到這些事。

不靠視覺,我們還能到處走透透嗎?

在我上班的路上,我常遇見視障人士(通常拿著拐杖)在都柏林市中心搭公車或火車。我總是對他們心懷敬畏。視障者是如何在幾乎沒有或完全沒有視力且最少科技輔助下,完成複雜的旅程?

不是所有視障者都有可魯,那些使用最少科技輔具的視障者如何完成複雜旅程呢?圖/IMDb

人行道與馬路交接處低一階的地面、修整過的行走地面,以及過馬路時燈號發出的提醒聲音,都是有用的環境信號。但我們還是需要對視力正常者以及視障者都進行精細實驗,才能完整知道這種不仰賴視覺的找路方式是怎麼發生的。

這些實驗涉及讓視力正常者矇上眼睛,走一條複雜的路徑,然後要求他返回起點;或是對他有更多要求,要他沿著特定路徑回到起點。

有時還會加入讓實驗變得更複雜的元素,包括來自四面八方的聲音、腳下地面的改變、擾亂前庭系統的身體旋轉等等。其中,最後一個可能最關鍵,因為失去前庭系統提供的穩定感以及方向感,對於我們簡單的尋找起點任務來說有著毀滅性的影響。我們會被我們對空間的感覺欺騙,這本質上又會影響我們的視覺。

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我們通常認為視力正常者行走時,會是左看看、右看看,確認方向再往前走。圖/GIPHY

事實上,對大腦來說,視覺只是我們理解空間的其中一種感官罷了——雖是重要的一種,但也只是其中一種。

我們知道這點,是因為不管我們對於環境熟不熟悉,也都能在黑暗中找到路。這種空間感(稱為「認知地圖」)是一種「沉默感官」:絕大部分是在我們沒察覺的情況下建構的,我們只會在它不管用時才意識到它。

視覺不必然是你選擇方向時的依據

數十年來,為數不少的重要研究針對一出生就眼盲以及後天眼盲病人的空間感(認知地圖)進行研究。這些研究將他們在行走任務上的表現,與同齡矇眼正常視力控制組的表現做比較。

他們使用路徑積分任務來檢驗,是否視力在動作為基礎的正常空間能力上為必要條件;參與者被要求沿著特定路徑或軌道行走,接著要走原路回到起點,或是找一條最短路徑回去。

我是誰,我在哪裡?這是蒙眼示意圖,實驗應該沒有這麼懸疑~圖/GIPHY

如果我們相信視覺在發展正常空間能力上是必要條件,那麼我們可能會預測視力正常者會比那些出生後才在某個時間點失去視力的人(中途失明者)表現的更好。而中途失明者也應該比那些先天失明者表現的更好。

這三組人每一組的視覺世界經驗都不同,從視力正常組的完全經驗、後天失明組的部分以及歷史性經驗,到先天失明組的一點經驗也沒有。

在一項特別具啟發性的研究中,這三組人分別進行了一系列實驗,參與者被要求生產、重製或估算僅包含單次轉身的最短行走路徑。在更複雜的實驗中,參與者行走在多段路徑上,接著必須沿原路返回、找出回到起點的捷徑,或是以其他物件的位置做為參照地標,指出某個地點的所在地。

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令人震驚的結果是,學習在擴展的三維空間中行走以及確定方向,並不需要正常的視力。

整體而言,三組成員在簡單任務中的表現大致相等,無論是矇眼正常視力組、後天失明組或先天失明組,所有參與者都能以相似程度走完被要求的簡短路徑、重新順原路走一次或是預測路徑。

至於更複雜的任務,所有組別也都表現得差不多。先天失明者可能表現最差,但是值得注意的是,視障者以及正常視力者的表現卻有一致性。

要建立可用的認知地圖,必須要對空間世界擁有豐富的經驗。圖/GIPHY

實驗也闡明了另一點,那就是要建立可用的認知地圖,必須要對空間世界擁有豐富的經驗。

視覺可能主導了我們對空間的感覺,但實際上我們的空間感是建立在我們於這世界行走的經驗,很大程度上獨立於我們與這世界互動的任何一種特定感官。

我們的空間感有點像我們的視覺、聽覺或動作感,但與其他感官相比,它更抽象也較不直接,因為它基本上建構在其他感官提供的輸入上。它提供了我們在這世界上移動的各種可能性地圖,讓你即刻知道當你前進時「你需要什麼以及要前往哪裡」。

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——本文摘自《走路的科學》,2019 年 9 月,八旗文化

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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為什麼腿短短,走路還搖搖晃晃?解密企鵝賣萌的背後真相!——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/24 ・1652字 ・閱讀時間約 3 分鐘

企鵝搖搖晃晃地走路

圖/giphy

說到用兩隻腳走路的鳥類,就不得不提企鵝。企鵝用兩隻腳在冰上搖搖晃晃走路的樣子非常可愛。在水中卻可以自由自在地高速游泳、追捕魚,這兩種樣子帶給人的印象有非常大的不同。

話說,企鵝意外地可以走很長一段距離。牠們會在地上蒐集石頭來作巢,所以當然要可以走到築巢的地點。通常企鵝類的繁殖群會位在距離海岸線幾百公尺的地方,但有時會在距離海岸 3 公里以上的內陸,想像企鵝排成一列搖搖晃晃地走 3 公里,實在是可愛至極。

說是這樣說,但是走 3 公里,我們人類都覺得有點遠了,企鵝真的可以搖搖晃晃走過去嗎?

牠們的走路方式感覺效率很差,好像很累。企鵝走路時腳會使用的力量以及計算其所需能量的研究顯示,企鵝的走路方式一如外表印象,效率很差。大概所有人都會覺得「我想也是」吧,但我們不妨來仔細思考為什麼會效率很差。

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圖/giphy

鵝生好累!企鵝其實一直蹲著?

在討論企鵝的步行時,首先得要知道的是其獨特的體型。企鵝看起來是用兩隻腳站著,腳感覺極端的短。大概因為身上的毛色彷彿穿著燕尾服一樣,總覺得像是人類的喜劇演員一般。

但是牠嚴格說來並不是「站著」。看企鵝的骨骼圖(圖一)就很清楚。髖關節跟膝關節強烈彎曲的姿勢,以人類來說就是「蹲著」。換言之,企鵝時時刻刻都是蹲著的,連走路時也是蹲著的狀態。試著自己蹲著走路看看,就會像企鵝那樣搖搖晃晃地。牠們搖搖晃晃的姿態,背後的祕密就是體型與姿勢。

而由此延伸,企鵝的步行方式非常沒效率的理由,可能就是身體橫向搖擺和轉動幅度非常大。搖擺跟旋轉的動作,對前進而言怎麼看都是不必要的舉動,但是根據之前的研究,其實企鵝不搖晃反而效率會更差。之前也說過雙足步行的動能跟位能要有效率地轉換,才能有效率地運動,但企鵝似乎是用橫向搖擺的動作來進行這種能量轉換。

圖一、企鵝的樣子跟人很像,所以如果讓企鵝在山手線月台上排隊,也不會有人發現(右),但是如果看骨骼(左),企鵝蹲下來就可以跟站著的人類簡單區分開來。

短腿優先?

也就是說,企鵝走路效率不佳的理由,跟牠們這種體型跟姿勢有關。

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企鵝的腳確實很短,以現在還活著的企鵝種類來說,體型最大的皇帝企鵝的體重將近 20 公斤,和澳洲的平胸鳥類鶆䴈幾乎相同,然而比較這兩種鳥類的腿長的話,鶆䴈的髖關節大概在 80 公分高的位置,而皇帝企鵝大概在 30 公分高左右。明明體重差不多相同,企鵝的腳的長度卻只有鶆䴈的一半以下,步行效率差也是沒辦法的事。

本章已經反覆提過好幾次,腿愈長一般來說會步行速度愈快、效率也愈好,企鵝的短腳和蹲下的姿勢非常不適合走路,這點沒有人能否定。

圖/giphy

企鵝的腳會這麼短,恐怕是為了在寒冷地帶保住體溫。雖然也有棲息在熱帶的企鵝,但多數企鵝都棲息在極地,在水中跟地面上不失去體溫就是牠們最重要的課題。四肢末梢要是比較長,就會因為體積的表面積變大,容易失去體溫。所以在寒冷地帶演化的物種,耳朵等突出部位通常都會比較小。

雖然意外地能走很長距離,但企鵝仍然主要屬於在寒冷地區游泳的鳥類,為此演化出的短腿跟蹲著的姿勢,必須讓身體左右搖晃走路來補足才更有效率。

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——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

晨星出版
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人類是少數能看見斑馬條紋的物種!人類的視力到底有多好?——《五感之外的世界》
臉譜出版_96
・2023/09/18 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘

長久以來,生物學家一直都在探討為什麼斑馬會有如此奇怪的黑白斑紋,直到他們談話的當下,卡羅依然在探究這個問題。他告訴梅林,其中最早出現、最廣為人知也令人意外的推測,是認為這些斑紋其實是斑馬的保護色。斑馬身上的黑白條紋毛色能夠擾亂掠食者(如獅子、鬣狗)的視線,讓牠們看不清楚斑馬的輪廓,也可以讓斑馬的身影融入周遭聳立的樹木之間,又能夠在斑馬跑動時讓其他動物感到視線模糊。

斑馬身上的斑紋在其跑動時會讓其他動物感到視線模糊。

但梅林對這些說法抱持著存疑的態度,她回想自己當初的反應:「我那時候表情應該很怪。我對他說:『大部分的肉食性動物都是在夜晚獵食,而且牠們的視覺根本不如人類靈敏,因此很有可能根本看不到那些斑紋。』」提姆這時驚訝地忍不住脫口而出:「什麼?」

斑馬紋隱身術

人類視覺處理細節的能力幾乎比其他任何動物都來得好;梅林也發現,正是因為這種特別敏銳的視力,人類才成了少數能夠看見斑馬條紋的物種。她和卡羅找了個光線明亮的日子,計算出擁有絕佳視力的人類能夠在一百八十二公尺左右之外的距離就分辨出斑馬身上的黑白條紋,獅子則得拉近到八十二公尺左右的距離才看得出來,鬣狗更是要到四十五公尺左右的距離才看得清楚。一旦到了掠食者最常打獵的黃昏或清晨時分,牠們則得再拉近約莫一半的距離才能看見斑馬身上的紋路。

所以梅林的想法沒錯:斑馬身上的條紋不可能是牠們用來匿蹤的保護色,因為掠食者都得靠得很近才看得到這些紋路,然而假如真的距離這麼近,這些天生的獵人早就聽見或聞到斑馬的蹤跡了,實在無需仰賴視力。在肉食動物與斑馬平時間隔的距離之下,這些紋路其實根本都融成了一片灰濛濛的顏色;對正在打獵的獅子來說,斑馬看起來跟驢子其實也沒什麼不同。

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人類其實視力超好的?

動物的視覺敏銳度以單位視角週期數(cycles per degree)為測量單位——這個概念剛好可以用剛剛的斑馬條紋來做例子。各位伸出手臂並豎起大拇指,你的指甲大約可以代表一單位視角;以你的手臂為距並涵蓋四周三百六十度的距離範圍來說,各位應該可以在指甲上畫了六十至七十條黑白條紋的情況下,依然辨識得出黑白條紋之間的區別。因此人類視覺敏銳度的單位視角週期數便約為六十至七十;目前的最高紀錄是來自澳洲的楔尾鵰(Aquila audax),牠們的視覺敏銳度之高,單位視角週期數高達一百三十八。

楔尾鵰擁有動物世界中最細的光受體,這也使牠們的視網膜裡可以密密麻麻地塞滿大量光受體;有了這些細窄的感光細胞,楔尾鵰敏銳視力的畫素大約是人類的兩倍,也因此可以在大約一點六公里之外的距離看見小小一隻大鼠。

然而老鷹和其他猛禽卻是少數視覺比人類敏銳得多的物種。感官生物學家愛倫諾.凱福斯(Eleanor Caves)搜羅了上百種動物的視覺敏銳度,發現人類的視力幾乎超越了所有物種。除了猛禽以外,就只有其他靈長類動物的視覺敏銳度能與我們比肩了。

人類的視力幾乎超越了所有物種。圖/pixabay

各種動物的視覺敏銳度以單位視角週期數表示如下:章魚為四十六、長頸鹿為二十七、馬為二十五、獵豹為二十三,視力表現還算不錯;而獅子卻只有十三,僅略高於人類法律中定義為全盲的單位視角週期數:十。然而其實除了上述物種之外,大部分動物的視覺敏銳度都低於人類視為全盲的門檻,其中包括半數的鳥類(令人意外的是,蜂鳥和倉鴞都在此行列之中),大部分的魚類與所有昆蟲;例如蜜蜂的單位視角週期數竟只有一,這也就表示你伸出去的那隻大拇指在蜜蜂眼裡就代表著一個畫素,至於拇指上畫的其餘細節在牠們眼中都是一團模糊。另外還約有百分之九十八的昆蟲視力比這還要更弱。

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凱福斯說:「人類真的很怪。我們的其他任何感覺根本連摸都摸不到可以稱為頂尖的邊,卻唯獨在視覺敏銳度上傲視群雄。」矛盾的是,人類雖有優良的視力,卻也因此失去了能夠欣賞其他環境界的視野,因為「我們以為自己看得到的,其他物種一定也能看見;認為那些對人類來說顯而易見顯眼的事物,對其他動物來說也一定難以忽視。但實際上卻並非如此。」凱福斯如此說道。

——本文摘自《五感之外的世界》,2023 年 8 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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