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科学

什么是骨传导?生活中骨传导可以用于哪些方面?

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昨天与妹妹视频通话时,她突然侧过头问我有没有注意到她有什么变化,我第一眼就注意到了她的新耳机。她说:“你没有发现我的耳机并没有塞进我的耳朵里吗?”的确,她所带的耳机只贴在耳朵附近。

我当时的第一反应是觉得有点新奇,这难道是什么新的耳机戴法?甚至有点想嘲笑她怎么这样戴耳机。她很快告诉我,这是骨传导耳机。

说到骨传导,印象中好像是用于助听器,对于非神经性损伤的耳聋患者,可以通过骨传导助听器来帮助他们听到声音。

正常情况下,我们可以通过两种不同的方式听到声音:耳膜或者骨骼。大多数来自外部环境的声音,从烦人的汽车喇叭声到甜美的鸟叫声,都是通过耳膜传到我们耳朵中的。耳膜将声音转换成振动,并将其传送到耳蜗。这些振动根据不同的音频与耳蜗的不同部分产生共鸣。然后,共振运动转化为神经信号,传输到大脑,从而完成看似“简单”的听力过程。

生物课上,你的老师也许告诉过你:我们通过骨骼传导听到的最常见的声音是我们自己的声音。的确如此。我们的声音会直接绕过耳膜,通过下颚骨传到耳蜗,然后根据音频频率与相关部分产生共鸣,最后成为大脑中的神经信号。通过耳膜传递的声音和通过骨传导传递的声音往往略有不同。最好的例子就是,录音中你的声音听起来与你平常说话时的声音非常不同。

尽管你自己的声音可能是通过骨传导最常听到的声音,但骨传导也有更广泛的应用。相较于新奇的骨传导耳机而言,骨传导本身根本不是一项新技术。世界上第一个通过骨骼传导传输声音的设备的专利申请是在1924年。甚至,骨传导的概念在音乐史上还起到了重要作用。

18世纪著名的作曲家路德维希·凡·贝多芬耳聋是出了名的,我们都曾为他给眼盲的姑娘弹奏《月光曲》的故事所动容。但是,贝多芬还有另一件传奇的事情,就是利用骨传导来听自己演奏的曲子。他把一根棍子的一端连接到钢琴上,用自己的牙齿咬住另一端,这样钢琴的震动就会通过下颚骨传到他的耳朵里。

骨传导技术在今天已经有了长足的发展。在过去的五年里,骨传导已经在许多领域得到了应用,包括军事、医学,当然,还有那些时髦的骨传导耳机。

著名的国防系统制造商英国宇航系统公司,为士兵创造了一种特殊的通信体系,利用骨传导技术将声音通过头盔直接传输到内耳。士兵们必须兼顾充分了解周围恶劣环境和与同伴的有效沟通。他们制造了一个不超过5美分硬币大小的音频转换器,并将其嵌入士兵的头盔中。这相当于让他们的耳朵保持“张开”的状态,帮助他们在感知周围环境的同时,保持不间断的沟通。这款设备仍处于实验阶段,但很快,我们将看到所有的头盔都带着集成骨传导通信传感器。

得益于骨传导,部分商用太阳镜还可以兼做音乐播放器。像Google Glass和Bose’s Frames这样的设备都已经在太阳镜里嵌入了小型扬声器,将它们置于下颌附近,就可以通过骨骼传导传递声音。

骨传导技术最具意义的一项应用,就是我们前面提到的,帮助失聪的人恢复听力。一些公司已经发明了一种专门的助听器,叫做骨锚式助听器(BAHA)。它们包括两个部分:一个外部处理器和一个通过手术植入内耳附近骨头的固定装置。处理器用于捕捉声音,并将其人工传输到内部装置,使内耳振动,从而使人能够听到。

骨传导原本是一个古老的概念,最近重出江湖,并在很多领域进行了新的应用。不过,大多数技术都处于原型或者概念阶段。很少有制造商利用这种非常有价值的技术制造出具有商业可行性的产品。

鹿角网期待看到这项技术更多的发展,希望它在全球领先的科技和工业巨头开发的产品中找到主流吸引力。

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科学

你见过粘着乳鸽的羽毛,像鸟一样飞翔的机器人吗?

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由斯坦福大学的工程师设计的PigeonBot——“鸽子机器人”,于周四在《科学机器人》杂志上发表的一篇论文中首次亮相。这个机器人虽然不能煽动翅膀,但它的机械骨骼有一些与鸟翅膀相同的关节。

从外形上看,它很像一只鸟或者一架飞机,更为准确的说法则是,这是一种生物杂交飞行机器人,它将人造飞机的螺旋桨、机身和尾部与鸽子的翅膀结构和真正羽毛相结合。

鸟翅膀的结构相对复杂,与人类的手臂有许多共同的解剖学特征,它们具有类似人类手腕和手指的特征。罗伯· 韦格为《大众科学》杂志报道说,“鸽子机器人”也有手腕和手指,上面装饰着40根羽毛,每根翅膀有20根。

这些羽毛都是从家养乳鸽身上收集来的,所以鸽子机器人的翅膀是白色的。以后聊起乳鸽不要只知道它们很好吃,它们的一些同类也算对科学有过贡献了。

论文的第一作者戴维·伦特恩克告诉NPR新闻的梅里特·肯尼迪:“大多数航空航天工程师会说这不能很好地工作,但是事实证明它非常强大。”

通过编程使机器人在一个关节处弯曲,研究人员可以明确发现这种动作如何对鸟的飞行作出贡献。在过去,研究人员想知道是否每根羽毛都是由鸟儿们自己的肌肉控制的,而“鸽子机器人”就能够表明,通过调整手腕或手指可以使羽毛落在合适的位置。

“我在鸟类训练方面非常擅长,但我真的不知道如何训练一只鸟来移动它的‘手指’,”伦特恩克告诉《科学新闻》的玛丽亚·泰明。“在机器翅膀上你可以做一些永远无法在鸟类身上做的操作。”

这架飞行器有时需要像鸟一样的保养。如果它的羽毛被弄皱了,就需要用手整理或弄平。如果一架飞行器上所有的羽毛都来自同一只鸟,那么它们在一起配合的效果最好。

研究人员让机器人在风洞中飞行,以观察在不同条件下机翼该如何固定在一起。在狂风中,排列整齐的羽毛会用伦特恩克所说的“定向尼龙搭扣”固定在一起,这种微型挂钩可以防止机翼上的羽毛被吹散。

伦特恩克和他的团队与史密森尼脊椎动物动物学家特雷莎·费合作,特雷莎·费创建了纳米级的挂钩3D模型,并捕获了电子显微镜图像来绘制它们在不同羽毛上的位置,这篇论文发表在《科学》杂志上。

通过使用鸽子机器人,研究人员确定了挂钩对于稳定飞行是必不可少的。当羽毛旋转时,钩子无法无法排成一排,它们在强阵风中无法固定在一起,机器人变得不稳定。就像尼龙搭扣拉扯时会发出“呲啦”声一样,羽毛中的机制会发出这种明显的声音,而仓鸮这样无声飞行的动物是没有声音的。

东北大学的工程师阿里礼萨·拉梅扎尼表示这的确是一项令人印象深刻的工作,他带领的团队在2017年制造了蝙蝠式机器人。

北卡罗莱纳大学教堂山分校的生物力学家泰森·亨德里克没有参与这项研究,但他告诉《科学新闻》,伦特恩克的“鸽子机器人”是测试鸟类飞行时翅膀羽毛状态的最佳机器翅膀,但“还有很大的改进空间。”亨德里克指出,这种机器人的关节有限,他认为,肩部关节对翅膀升降的影响将是未来研究的一个有趣方向。

据美国国家公共电台报道,拉米扎尼认为,受生物启发的机器人的成功,为新型无人机设计和实验飞机开辟了道路。与旋转式无人机的硬质螺旋桨相比,以柔软、羽毛为灵感的设计更适合安全地在人群中飞行。

伦特恩克认为,这种“定向尼龙搭扣”也许会在高科技服装或专业绷带中很有用。但是,带羽毛的飞机可能不会出现在地平线上。这种想法可能是出于目前各方面水平的考量,但鹿角网觉得,真正是有价值的东西,必然是值得深入研究的。

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科学

为什么千年银杏古树可以活如此之久?

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在陕西西安罗汉洞村观音禅寺的院子里,有一棵已经悄然落叶1400年的银杏树。从它在终南山前朴实无华地站哨开始,这棵树经历了奥斯曼帝国的兴衰和黑死病的折磨,见证了电力彻底改变了人类历史,见证了两次世界大战的混乱。

鹿角网很早就听说过,银杏树拥有“植物大熊猫”地美誉,以及它的全身上下地观赏价值、药用价值和研究价值。

这棵长寿的树可能还会存在几十年、几百年甚至上千年。来自阿伯里斯特威斯大学的植物生物学家霍华德•托马斯在接受《科学》杂志艾琳•马尔茨伯里采访时表示,对于银杏还有一些其他植物来说,“永生似乎是一种默认状态”。

银杏树虽然长寿,但能有上千年树龄地也并不是非常常见,所以才更加珍贵,所在的地方也往往闻名遐迩。

现在,研究人员开始发现银杏惊人寿命背后的一些植物学秘密,我们这些快速衰老的人类可能很难理解这个概念,更不用说自我复制了。根据发表在《美国国家科学院院刊》杂志上的一项研究,银杏树不会随着年龄的增长而减少多少。相反,它们会继续释放出保护性化学物质。与其他许多生物不同,它们似乎并没有细胞死亡的程序。

研究报告的作者、北德克萨斯大学的生物学家理查德·迪克森告诉《纽约时报》的记者乔安娜·克莱恩,对于人类而言,上了年纪地人更容易死于疾病,而一棵有1000年历史的银杏树的免疫系统本质上“看起来就像一棵20岁的树”。

尽管其他生物的生长通常会随着时间的推移而逐渐消失,但古代的银杏树却会继续生长,仿佛什么都没有改变。它们的持久力甚至可以用肉眼观察到:百年老树和年轻的树木一样拥有数量繁多的种子和叶子。

为了得出这些结论,迪克森和他的同事们比较了年轻和年老的银杏的DNA,着眼于叶子的细胞以及形成层——一种生长在树的内部木材和外部树皮之间的组织。在更老的树木中,负责形成形成层的基因活性较低,并且细胞分裂似乎减慢了,从而产生了更薄的组织条带。

但在大多数情况下,老银杏并没有显示出它们的年龄。抗氧化剂和抗菌素产生的基因在老树和幼树中均具有很高的活性,帮助植物抵御感染。虽然扇形的银杏叶最终会枯萎、变黄甚至死亡,但形成层中的细胞并没有以同样的方式退化,部分原因在于它们没有表达促使衰老的基因,而衰老往往是生命的最后阶段。

如果所有这些分子机制都能持续运转下去,理论上银杏是可以长生不老的。负责落基山树木年轮研究的生物学家彼得·布朗,没有参与这项研究,但他告诉《纽约时报》,长生不老不是不可战胜的,树木仍然经常死于害虫、干旱、人类发展和其他压力大、破坏性的事件。

不过,没关系。如果银杏树永生不灭,这个世界将会是一个非常拥挤的地方,没有太多其他长寿生物的生存空间了,比如“永生”的灯塔水母。

即使在树林中,银杏也有很好的同伴,红杉也能存活数千年,英国紫杉直到900多岁才被认为是“古老”。甚至是加州4800岁的狐尾猴也可以参加角逐。

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科学

为什么说人类的体温正在不断降低?

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1851年,一位名叫卡尔·莱因霍尔德·奥古斯特·维德利希的德国医生在莱比锡市对25,000名患者进行了体温测量,得出的结论是,人体平均温度为37摄氏度。虽然这个数据一直在备受争议,而且人与人之间也往往存在差异,但维德利希的标准仍然是当今医学专业人员的一个基准。

但是发表在《生命》杂志上的一项新研究表明,至少在美国,平均体温正在下降。这一趋势可以在150多年的医疗记录中观察到。

后来的研究表明,维德利希当初得出的平均值可能有点高。例如,在1992年对148名患者进行的一项研究中,马里兰大学的科学家测量出平均温度为36.8摄氏度。最近,2017年一项针对约3.5万名英国患者的研究发现,平均口腔温度为36.6摄氏度。

甚至一些专家认为,维德利希的测量结果根本不准确。虽然不排除这种可能,但根据斯坦福大学医学院的研究人员撰写的新论文,人体正在降温也是无可争论的事实。

该团队研究了三个不同时期的三个大型温度数据集。第一个是根据联邦军队退伍军人的医疗记录、军事记录和养老金记录汇编的。这些数据是在1862年至1930年间获得的。研究人员还参考了1971年至1975年间,美国国家健康和营养检查调查的测量数据以及斯坦福转化研究综合数据库环境的测量数据,后者包括2007年至2017年访问斯坦福医疗保健的成年患者的数据。

研究人员总共研究了677,423个温度测量值,收集了157年的数据,覆盖了197个出生年份。他们发现,19世纪早期出生的男性体温要比现在的男性高0.59摄氏度,这意味着每出生十年气温要下降0.03摄氏度。自19世纪90年代以来,女性的体温下降了0.32摄氏度,相当于每出生10年女性的体温下降了0.029摄氏度,这一速度与在男性患者中观察到的下降速度相似。

这是一个真正的降温趋势吗?还是仅仅由于温度计技术的改进而导致的差异?为了找到答案,科学家们在每个数据集中寻找模式,假设在给定的历史时期使用类似的温度计测量温度。果不其然,他们观察到测量值也以相似的速度在下降。例如,对于南北战争的退伍老兵来说,出生较早的人的温度更高,每10个出生年之间,气温下降0.02摄氏度。

根据研究人员的说法,有几个原因可以解释为什么我们的身体会变冷。一是温度调节的改善。帕森尼特解释说:“我们有空调和暖气,所以我们在家里20至22摄氏度左右的温度下会过得更舒适。”

另一个更重要的因素可能是由于医疗、卫生标准和食品供应的改善,从而减轻了诸如肺结核、疟疾和牙科疾病等引起炎症的疾病。“在19世纪中期,”该研究的作者举例说,“2 – 3%的人口可能患有活动性肺结核。”而且,这些疾病的流行可能对人口水平的平均温度产生了影响。

帕森内特说:“炎症会产生各种蛋白质和细胞因子,加速新陈代谢,提高体温。”

并不是所有的专家都相信这项研究的结论。菲利普·麦克科维克是1992年平均体温研究的合著者,他告诉《自然》杂志的尤恩·卡拉韦,“有很多变量无法解释”。比如南北战争时期的体温计是放在嘴里的还是腋窝的,这就会对同一个人产生不同的读数。

马科维亚克说:“在我看来,生物学上没有令人信服的解释。”“我们讨论的是200年间的变化,但这在生命的进化过程中,也只是一眨眼的时间。”

帕森内特并不认为说人类的生理机能会随着环境的迅速变化而发生变化是一种延伸。

她说:“我们生活的环境发生了变化,包括我们家里的温度、我们与微生物的接触以及我们接触到的食物。”“所有这些事情意味着,尽管我们认为人类是单一的,并且在整个人类进化中都是相同的,但我们并不相同。实际上,我们在生理上正在发生变化。”

鹿角网认为,科学的发展终将会带给我们答案。

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