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  • 科普中国
  • 祝贺！全球首台 252 千伏真空环保断路器投运 科普中国 由南方电网广东广州供电局牵头研制的全球首台 252 千伏单断口真空环保断路器，近日在广州供电局 220 千伏芳村变电站成功投运。这标志着全国产 252 千伏真空环保开关率先进入实用化阶段，将进一步巩固我国在高压真空开关领域的优势地位。据了解，传统高压开关使用六氟化硫气体，其温室效应是二氧化碳的两万多倍。真空开关作为一种较为理想的解决方案，近年来已成为行业研究热点。在国家重大项目支持下，广州供电局积极践行国家“双碳”目标，带动上下游制造企业共同攻关，开创性地将真空灭弧室电压水平首次提高到252千伏，实现了我国高电压等级真空开断技术从跟跑、并跑到领跑的转变。该产品具备对传统六氟化硫开关全面替代的能力，本次示范工程的成功投运将拉开高压开关无氟化变革的序幕。未来，产品全面铺开应用后，预计全国每年将减少二氧化碳排放约1200万吨，相当于种植林地树木60万亩，对于“双碳”目标的实现和建设环境友好型社会具有重要意义。策划制作来源｜科技日报官网 作者： 2024/12/04 17:42
  • 科普之窗 | 一图读懂《粮食节约和反食品浪费行动方案》 创新内蒙古 （来源：国家发展改革委） 作者： 2024/11/29 17:26
  • 突破1000颗！中国天眼发现脉冲星数量国际领先 科普中国 据中国科学院国家天文台消息，截至2024年11月，FAST发现的脉冲星数量已突破1000颗，超过同一时期国际其他望远镜发现脉冲星数量的总和，其中包括大量的毫秒脉冲星和脉冲星双星，丰富了脉冲星的种类和数量，对于理解脉冲星的形成和恒星演化具有重要意义。“中国天眼”发现脉冲星数量突破1000颗。（中国科学院国家天文台供图）脉冲星是转动很快的中子星，因不断地发出电磁脉冲信号而得名。它是最致密的天体之一，有极高的密度、极强的磁场和极强的引力，被公认为是物理学和天文学的“超级明星”。由于具有很高的灵敏度，FAST自2017年调试以来发现了1000多颗新脉冲星，并取得了相当多的重要成果，包括发现最短轨道脉冲星双星，测量了双中子星的质量并实现了高精度的引力论检验，发现纳赫兹引力波信号的初步证据，首次测量年轻脉冲星的三维速度等。FAST运行和发展中心首席科学家朱炜玮表示，FAST未来将探索通过在望远镜周围增加辅助天线的方式，提升望远镜的灵敏度及空间分辨能力；同时，实现射电暂现源定位和综合孔径成像的跨越式能力提升，以增加FAST的覆盖天区科学能力。策划制作来源｜科技日报 作者： 2024/11/28 10:50
  • 近期高发！有人因此身亡！这个“定时炸弹”很多家庭都在用 科普中国 冬季天干物燥，历来是全年的火灾高发期。随着寒意的逐渐蔓延，不少小伙伴选择用“电热毯”暖被窝，然而，稍有不慎它可能成为家中的“定时炸弹”。因电热毯引发的火灾事故频发10月31日下午，北京通州某小区居民家中突发火情。经消防员确认，起火点位于家中卧室床铺，起火原因为电热毯发生电气线路故障。所幸起火时家中无人，未造成人员伤亡。10月24日晚，贵州贵阳乌当区大坡路一高层小区发生火灾。经调查，起火原因为业主外出后，未关闭家中电热毯电源。10月8日，北京顺义一居民家发生火灾。消防员进屋后很快将火势控制，但卧室内物品均不同程度过火烧损。经调查询问，起火原因竟是业主在前天晚上使用电热毯发面，当天白天外出时忘记关闭电源开关。2022年12月9日，贵州贵阳，一栋5层民房发生火灾，事故造成1人不幸遇难。据消防部门综合判定，该起火灾的起火原因为次卧内使用的电热毯短路，引燃可燃物。高达800℃！电热毯起火原因是什么？大多数电热毯火灾都是由加热丝发生断裂或接触不良产生高温导致。在实验中，消防员将一根通电状态下的加热丝从中剪断，模拟两根断裂的加热丝相互接触，接触位置立即出现一个红色高温点。高温点温度可能会达到800摄氏度以上！可以轻易烫穿绝缘体和毯体，引燃被褥里的棉花。重要提醒：冬季是火灾高发期，使用取暖设备时，一定要多加小心做到人在看好、人走关好，莫让小疏忽酿大祸！策划制作来源｜国家应急广播、央视新闻客户端、中国消防责编丨王梦如审校丨徐来 林林 作者： 2024/11/27 17:49
  • 央视曝光！含1类致癌物，很多家庭在用→ 掌上巴彦淖尔 近日#央视曝光乳胶床垫造假黑幕#等相关话题引发网友热议许多假乳胶枕也被曝光出来据媒体报道，一些劣质乳胶枕除了乳胶含量不达标，功能减弱，甚至还会挥发苯乙烯致癌物，对人体造成伤害。这种枕头、床垫含致癌物核辐射超标！大多数商家为了降低成本，还会加入大量滑石粉，导致乳胶含量太低。有些人购买的乳胶床垫、枕头，在使用过程中出现了断裂、掉渣的情况，往往就是这个原因造成的。有的消费者购买的乳胶床垫，使用不到20天就出现粉化。除此之外，降低乳胶密度也是行业里偷工减料的手段之一。有时买到手的枕头有可能只是看着大，用起来却稀软松散，缺乏支撑性，这种产品用久了也不利于颈椎健康。另外，一些劣质乳胶产品会挥发苯乙烯致癌物，在硫化过程中还会产生强致癌物亚硝胺，悄悄危害人体。同样是近期，海关也查获了一批有问题的进口乳胶产品。这批乳胶床垫、乳胶枕头，放射性超标达3倍。经检测确认为碘-131超标，这是一种人工放射性核素，已被世卫组织国际癌症研究机构列为1类致癌物。所以大家购买乳胶床垫、枕头时，一定要多留个心眼，尽量购买正规品牌生产的、有质量合格证明的产品。劣质乳胶床品危害究竟有多大？危害1：会增加螨虫滋生无论是商家的推广宣传，还是消费者的普遍认识，都普遍认为乳胶产品具有不易滋生螨虫的特点，而这恰恰成为了乳胶产品最吸引消费者的亮点。然而，质量低劣的乳胶产品，不仅无法抑制螨虫，反而可能为螨虫的大量繁殖提供温床。危害2：会挥发出有毒有害物质苯乙烯在生产劣质合成胶乳时，必须添加丁苯胶乳，然而，若操作不当，可能导致有毒有害的苯乙烯挥发出来。危害3：可能含致癌物部分乳胶制品在硫化环节会产生亚硝胺，这种物质具有强烈的致癌性，一旦超过安全标准，就会对人体健康构成威胁。如何买到天然乳胶床垫/枕头？作为家家必备的日用品，好的床垫/枕头非常重要，然而市面上的产品五花八门，到底该怎么选？一起来看看~看：颜色、气孔缺口就颜色来说，天然乳胶呈现奶油色或象牙色，人造或合成乳胶则呈现纯白色，或是因为化学添加剂而出现其他颜色。至于气孔缺口或瑕疵，是天然乳胶本身的自然特性与手工脱模制程，会出现毛边、孔洞和痕纹，人造或合成乳胶则异常工整。拉：延展性天然乳胶的延展性相当高，不容易被拉坏，到贩售天然乳胶床垫的门市时，可以试着拉拉样品，感受其不易变形的特性；合成或人造乳胶则相反，这也是为何天然乳胶床垫的寿命能长达10年以上，人工乳胶床垫则2-5年就需要汰换。压：弹性天然乳胶与人造乳胶最大的差异在于弹性，前者因为有高密度与纯度的乳胶，按压时能感受到优异的弹性与支撑力；而天然乳胶成份较少的合成品，甚至全人造乳胶的弹性则明显不足，压下去不会立即回弹。摸：触感随着科技进步，人造乳胶的触感已经能制作到与天然乳胶相似，但仔细触摸仍会发现，天然乳胶有自然的粗糙感，而合成或人造乳胶较为光滑。闻：味道天然乳胶床垫会散发出橡树汁液的淡淡乳胶味，有些人可能对此感到介意，别担心！这味道会随着时间淡去且无毒无害；至于合成或人造乳胶床垫，则能闻到化学香精味，像是明显的人工香味，甚至是化学原料的刺鼻气味。查：认证真正采用100％的天然乳胶的产品会有国际组织认证，大家可以选择有国际认证的天然乳胶产品。选枕头，要看这几点选购枕头时，首要考虑的是其能否贴合颈椎的自然曲线。要找到那个专属于你的枕头，就得细心留意以下几个关键点：第一点：当你躺下时，颈椎必须得到全面的支撑，绝不能有任何悬空。这意味着你选的枕头得能够完美地填补头部和肩膀之间的空隙。第二点：谈到枕头的材质，绿豆和荞麦皮是不错的选择。这两种材料广泛适用于大多数人群，能够提供良好的睡眠体验。第三点：关于枕头的高度，这也是因人而异的。如果你习惯仰卧，那么高度大约为一拳（约8cm）的枕头通常是最合适的。而如果你更偏爱侧卧，那么15cm左右的枕头高度则更为推荐。床垫和枕头是一天中三分之一时间都在陪伴我们的东西所以一定不能草率希望大家都能选到适合自己的、健康舒适的床品~来源：央视财经、科普中国、家庭医生编辑：陈龙 校对：贺诗宇 希吉乐审核：田昌监审：王剑终审：韦嘉 作者： 2024/11/19 17:49
  • 为什么中国脑梗越来越多？离不开这3个祸根，你可能也中招了 科普中国中风，更准确来说是脑卒中，看似离年轻人离得很远，实际随时可能发生在我们身边。据《中国脑卒中防治报告(2023)》，脑卒中是我国致死以及后天致残的第一大原因，我国40岁及以上的脑卒中患者人数高达1242万，平均每28秒就有1人因脑卒中离世，且发病具有年轻化趋势。为什么中风的人越来越多了？脑卒中分为2种类型，缺血性卒中（俗称“脑梗”）和出血性卒中（俗称“脑出血”），其中，脑梗是最常见的类型。脑梗就是脑部的血管被堵住了，脑细胞失去了血液供应，没法获得血液中的糖和氧分，产生暂时性甚至永久性的损伤，使人出现行为改变或障碍、理解能力丧失、无法表达甚至死亡。而导致脑部血液断供的帮凶，通常有这几个↓慢性疾病：很多中年人患有高血压、高血脂和糖尿病却不自知，没有定期体检、确诊后也不按时服药，病情得不到控制，大大增加脑梗风险。不良生活方式：长期熬夜、经常抽烟酗酒、高油盐饮食、缺乏身体活动和肥胖，都是诱发脑卒中的危险因素。长期处于高压状态：精神压力如焦急、抑郁和沮丧，可能会削弱机体免疫力、增加炎症反应，从而增加脑梗的风险。身体出现这些异常，警惕是脑梗信号脑梗通常都是突然发生的，短暂无力、口齿不清可能是前兆，大家可以通过“120”口诀快速判断。此外，脑梗发作时会导致部分身体功能和感觉丧失，如果出现了以下任何一种症状，建议就医。值得注意是，短暂性脑缺血发作(TIA)的症状也类似，通常休息几分钟就好了，不过此时大家不能掉以轻心，短暂性脑缺血虽然不直接等于脑梗，但也可能是早期的预警信号，如果没有消除病因，不仅容易复发，还会使症状加重。防控中风，关键看3点中风不是绝症，只要尽早防控，是可以避免发病以及减少后遗症的。对于有基础慢性疾病的患者，做好疾病管理，是最基本和最有效的预防中风方法。根据指南推荐，调整生活方式对降低中风发病率也有积极的意义。对于可以参加运动的患者，每周参加3~4次有氧运动，每次约40分钟左右的中等或剧烈强度的有氧运动。日常均衡饮食，多补充蔬菜、水果、谷物杂粮和鱼虾类优质蛋白食物，也有利预防中风。最后有几条万能的健康保养法则送给大家，这对防控中风以及其他疾病都有很大的帮助：尽量少喝酒、避免大量喝酒和酗酒；戒烟和避免吸二手烟；做好体重管理。参考文献[1]孙亚蒙,陈莺,林岩,等. 卒中和短暂性缺血发作患者的卒中预防指南:美国心脏协会/美国卒[2]中协会指南 [J]. 神经病学与神经康复学杂志, 2014, 11 (02): 61-112.[3]中国高血压健康管理规范（2019），中华心血管病杂志[4]中国2型糖尿病防治指南（2020年版）,中华糖尿病杂志, 2021,13(4): 315-409[5]【指南与共识】中国血脂管理指南（2023年），中华心血管病杂志，2023,51（3）：221-255[6]卒中概述-默沙东诊疗手册策划制作来源丨39健康网（ID：health39net） 审核丨赵伟 天津泰达医院 神经内科主任医师责编丨王梦如审校丨徐来 林林 作者： 2024/11/18 17:10
  • 我科学家揭示跨脑半球神经连接一项重要功能 科普中国 包括人类在内的脊椎动物的大脑都有两个脑半球，左右脑半球在结构上是对称的。由于大量的神经连接主要为同侧大脑半球神经元之间的连接，长期以来，对脑神经连接功能的研究主要考虑了同侧半球内的连接，而忽略了两个脑半球之间神经连接的作用。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷复旦大学基础医学院、脑科学研究院、脑功能与脑疾病全国重点实验室刘星教授、马兰教授的合作研究发现，小鼠脑内基底外侧杏仁核（BLA）神经元，通过连接二个脑半球的前连合（Anterior Commissure，AC）投射到对侧脑半球的伏隔核（NAc），这一跨脑半球神经环路与同侧神经环路的功能相反，介导恐惧、厌恶类负性情绪及逃避行为的产生。2024年11月8日，这一重要发现以《杏仁核至对侧脑半球伏隔核神经环路编码负性情绪效价》（“The interhemispheric amygdala-accumbens circuit encodes negative valence in mice”）为题发表在《科学》（Science）杂志上。刘星介绍说，切断前连合后，小鼠表现出厌恶和逃避行为的受损。通过脑透明化3D成像、神经元翻译组测序、顺行和逆行神经示踪荧光标记等技术，研究团队观察到BLA脑区存在两群不同的神经元，它们接受来自不同脑区的神经支配，并分别投射至同侧或对侧脑半球NAc。BLA是掌控情绪反应（恐惧、厌恶、逃避等）、学习和记忆、社会交往等功能的关键脑区，而NAc则在奖赏、快乐、成瘾、情绪调节等多个方面起着关键作用。借助在小鼠脑内植入光纤在体实时记录神经元活动信号和光遗传学实时特异性干预等方法，研究团队发现，摄食甜水、与异性社交等奖赏性刺激选择性地激活BLA到同侧半球NAc的神经投射，而摄入苦味水、面临危险等厌恶性刺激则选择性地激活BLA到对侧半球NAc的神经投射。进一步的研究表明，BLA到同侧半球NAc的神经投射主要支配D1型神经元，增加在NAc的多巴胺释放，促进正性奖赏情绪的形成；而BLA至对侧半球NAc的神经投射主要支配D2型神经元，降低NAc的多巴胺水平，而导致负性厌恶情绪和相关记忆的形成。刘星等的这一工作区分了BLA向同侧和对侧大脑半球投射在情绪和相关记忆形成中的不同作用，发现了BLA到对侧NAc神经投射在编码负性情绪和引发逃避行为中的关键作用，揭示了跨脑半球神经连接的一个重要功能。如上图所示：BLA分别通过同侧或对侧投射连接不同NAc神经元。正性奖赏性刺激激活BLA-NAc同侧投射和NAc的D1型神经元，促进NAc多巴胺释放，产生愉悦情绪和亲近行为；而负性厌恶性刺激通过激活BLA-NAc对侧投射和D2型神经元，降低NAc多巴胺水平，引发厌恶情绪和逃避行为。策划制作来源丨复旦上医责编丨王梦如审校丨徐来 林林 作者： 2024/11/14 15:42
  • 废旧锂离子电池回收技术获突破 科普中国 据昆明理工大学冶金与能源工程学院消息，该院华一新教授团队近日在低共熔溶剂回收废旧锂离子电池领域取得重要研究进展，不仅为废旧电池的有效回收提供了新思路，也为全球锂离子电池市场的可持续发展注入了强劲动力。相关研究成果发表在国际期刊《e科学》上。随着全球锂离子电池市场的快速增长，废旧电池的处理问题日益凸显。废旧电池中蕴含的有价金属如锂、钴等若能得到有效回收，不仅能缓解原材料枯竭的压力，还能显著降低环境污染。然而，传统的回收方法存在诸多难题，如锂在水溶液中难以沉淀、需添加多种沉淀剂回收过渡金属等。为此，昆明理工大学教授华一新、副教授汝娟坚等人有针对性地提出了基于水平衡调节低共熔溶剂中离子竞争配位的创新策略。该策略通过精准调控溶剂中的水分含量，实现了材料循环与溶剂循环的双循环回收，有效提高了废旧电池中有价金属的回收效率。该团队首次在低共熔溶剂中实现了锂的优先提取及钴的精准分离。这一突破性进展得益于氯化胆碱—草酸—水低共熔溶剂的独特优势，其低黏度、高溶解性和选择性析出含锂化合物的特性，使得锂的优先提取成为可能。更重要的是，整个过程中无须添加还原剂和沉淀剂，大大降低了回收成本和环境风险。此外，团队还首次系统分析了水含量对低共熔溶剂中离子竞争配位的调节机制。通过分子动力学模拟，揭示了水含量及浸出温度对离子竞争配位的影响，进一步阐明了锂的优先析出和钴的精准分离机理。这一成果，不仅为废旧电池中有价金属的回收提供了理论支撑，还为其他类型电池材料的回收提供了借鉴。目前，这一创新策略已成功广泛用于多种锂离子电池正极材料的回收，为废旧电池材料的资源化利用开辟了新路径。“我们有理由相信，未来随着新技术的不断推广和应用，废旧电池将不再是‘废物’，而是宝贵的资源，为绿色可持续发展贡献力量。”华一新说。策划制作来源丨科技日报责编丨钟艳平审校丨徐来 林林 作者： 2024/11/12 09:32
  • 你的手机电池可能正在“漏气”，难怪越来越不耐用 环球科学 科普中国 在最近发表于《科学》的研究中，研究者发现了一个新的可解释锂离子电池自放电的原因——可以说是电池里面在“漏气”，导致阴极活性位点被占？就算你不用手机，或是电动车停着不动，它们的电量也会慢慢丢失。事实上，所有的充电电池都会发生类似的自放电现象。虽然这是一个正常的过程，那些电池会随着时间推移自然失去电量，但如果锂离子电池自放电过多，就可能导致过度放电，损坏电池的内部结构。这还可能进一步导致永久性的电容量损失（通俗地说就是电池健康下降），影响电池可以承受的充/放电循环次数，从而缩短电池的整体寿命。因此，弄清楚锂离子电池自放电的起因并加以改进，就显得尤为重要。根据现在流行的说法，这种现象主要与锂离子损失有关，不过仍存在争论。最近，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的教授迈克尔·F.托尼（Michael F.Toney）与同事却找到了一条新的导致电池自放电并退化的途径，并把结果发表在《科学》（Science）杂志上。溶剂的诱导对科学家和工程师来说，锂离子电池在实际应用中的状态并不好解释，因为其中时时刻刻发生着各种复杂的反应，普通的技术手段难以搞清楚电池里面究竟发生了什么。虽然内部工作原理比较复杂，但电池基本上是将电化学能直接转换为电能的装置，且主要由阳极（以石墨为主）、电解质、隔膜和阴极（以层状锂的过渡金属氧化物为主）组成。对于锂离子电池来说，其中起关键作用的活性物质是锂离子，它们储存在电池的阴阳两极中，而电解质的作用就是在两极之间传输这种带电粒子。第一款商用锂离子电池，后来其结构不变，仅根据应用改变所用材料。2019年，锂离子电池获得了诺贝尔化学奖。（图片来源：https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-chemistryprize2019.pdf）自放电可能发生在阴极，也可能在阳极。该研究的科学家关注的是锂离子电池自放电时，阴极发生了什么变化？因为在科学家看来，阴极材料至关重要，因为它决定了电池可以存储多少能量。另外值得一提的是，锂离子电池的电解质通常使用碳酸酯类作为有机溶剂来溶解锂盐。因此研究者担心，与这些溶剂相接触的阴极材料也会被降解，从而影响电池的循环寿命。有东西“漏”到了阴极他们知道，当锂离子电池被充到较高电压，快速充电或在高温下运行时，都可能导致自放电。于是，他们让电池“定格”在自放电现象发生时，监测此时电池的开路电压，并利用近边X射线吸收精细结构（NXAFS）技术揭示阴极材料中过渡金属（这里指镍、钴、锰）的价态变化。自X射线被发现后，科学家便一直在探究X射线的性质与应用。其中最为人熟知的应用是 X 射线衍射（XRD），它可以用来揭示晶体结构，但对无序结构就无能为力了。然而，X射线吸收光谱（XAS）可以弥补 XRD 的缺点，不过事实是，尽管科学家早就观测到X射线吸收边，但XAS的广泛应用比 XRD 滞后了很长一段时间。后来，技术的发展使 XAS 演变成了 XAFS （其中的“F”表示“精细结构”）。光谱质量的大大提升，让科学家可以根据谱图分析各个元素的价态与配位环境，加深对材料的认识。这类技术无疑是当前材料科学中最先进的技术之一。通过分析这些 X 射线吸收谱，研究者发现，阴极中锰离子的变化可以忽略不计，钴离子的变化也很小，只有镍离子的变化比较明显——重要的是，电池自放电时，阴极层状氧化物中镍的价态降低，也就是说，镍被还原了。但问题是，镍被什么还原了？在锂离子电池的电解液中，能发生什么还原反应？他们推测，只能是加氢反应了。换句话说，溶剂与阴极的界面处也许发生了氢转移，使得表面的镍与氢原子或分子发生了反应，即加氢反应，而被还原了。但电解质本应只传输锂离子，那么氢究竟源于何处？但由于氢元素很小且在溶液中无处不在，很难观察到。因此，研究者将电解质溶剂中的氢替换成它较重的同位素氘，然后利用高能X射线成像和质谱来追踪氘在电池内的移动情况。结果发现，这些氢原子或者说氢分子是从电解质的溶剂中“泄露”出来的，就像电解液“漏气”了一样，而后一路跟着锂离子迁移到阴极表面，并与这里的镍发生反应的。氢与锂元素的浓度梯度相反。图片来源：原论文但实验与计算证据显示，氢原子在阴极表面的浓度高于体内，然而阴极表面的锂离子浓度却低于体内。这意味着，迁移到阴极表面的氢原子占据了原本属于锂离子的位置，而可利用的锂离子变少了则意味着电池容量与性能的降低。他们由此推测，正是氢原子在阴极表面积聚的过程，诱发了自放电以及电池的退化。托尼表示，只有了解了导致电池退化的原因，我们才能知道如何改进电池的设计。另外，这次研究者之所以能够看到氢原子在阴极表面积聚，及其带来的影响，都要多亏了美国阿贡国家实验室的先进光子源。该装置能用接近光速的回旋电子产生高效、稳定且具有特定频率的 X 射线束，从而使研究者能够在原子水平上观测锂离子电池内部阴极材料加氢是如何发生的，以及又是如何影响电池自放电的。参考文献[1]https://www.anl.gov/article/giving-batteries-a-longer-life-with-the-advanced-photon-source[2]https://www.colorado.edu/today/2024/09/12/discovery-could-lead-longer-lasting-ev-batteries-hasten-energy-transition[3]https://www.sciencenews.org/article/rechargeable-batteries-life-explanation策划制作来源丨环球科学（ID：huanqiukexue）责编丨何通审校丨徐来、林林本文封面图片及文内图片来自版权图库转载使用可能引发版权纠纷原创图文转载请后台回复“转载” 作者： 2024/11/11 17:05
  • 科学家用AI翻译动物对话，发现人类语言并不独特 郭瑞东 科普中国 人类一直期盼能与动物进行交流，如今 AI 正在帮助我们完成这一愿望。从鲸类的复杂社交语言到家畜的情绪表达，在破译动物语言上，以大模型为代表的 AI 正凸显其作用。随着对动物的研究更加深入，我们也发现人类语言并非那样独特。更具实际意义的是，这类研究并没有过高的门槛——或许在未来，与宠物直接对话，用的就是你自己的研究成果。在电影《飞屋环游记》中，一只名叫逗逗（Dug）的狗戴着一个神奇项圈，它能将狗狗的叫声翻译成流利的人类语言。在现实世界中，非常训练有素的狗可以被教会按按钮，以回应人类语言来执行简单的命令，如“出去”、“散步”和“玩儿”。与动物进行交流，是人类长久以来的梦想。1973 年诺贝尔生理学或医学奖得主劳伦兹（Konrad Lorenz）曾就该问题撰写《所罗门王的指环》一书，后成为领域内经典科普书，很值得一读。近年来，已有不少用生成式 AI 破解动物语言的尝试。本文将先讲述是哪些技术因素促成了这些进展，之后介绍几项相关研究成果，并以对未来的展望结尾。对动物语言的研究，不仅有助于我们更深入地理解和引导野生动物的行为，还能对畜牧业生产有所助力。对于爱宠人士，动物“语言”的研究或许能够让我们更深入了解爱宠的诉求，从而得以“换位思考”，更体贴地关爱宠物。而从满足好奇心的角度，这项研究有可能从进化和生理机制方面，为人类语言的产生提供新的视角。从更科幻一些的角度，破解动物语言过程中所积累的技术，也将可能用在识别外星生物的语言上。更多的数据让 AI 破解动物语言成为可能2024 年出版的一本关于动物语言的优秀科普读物《听不见的大自然——博物学家的自然聆听笔记》，详述了近期科学家如何使用数字技术去理解自然，还谈到了过去人类在理解动物语言中走过的弯路。20 世纪中期，人们曾多次尝试教非人灵长动物使用人类语言，当时的愿望是通过教它们“说人话”来评估它们的智力。这一努力失败后，人们发现这种做法有些过于人类中心主义了。正如 1974 年美国哲学家 Thomas Nagel 在一篇著名的论文中问道：“成为一只蝙蝠是什么感觉？”他得出的结论是，试图根据人类心智和身体的框架去理解动物注定会失败。为了去掉人类的视角，他表示，研究人员必须把自己放在动物的“umwelt”（环境），但人类永远无法以蝙蝠的身体体验世界。前文的“umwelt”是生物学家创立的一个术语，用以描述生物体的生活经历或世界观。如果我们关注某种生物的 umwelt，比如蜜蜂的，我们当然不会期望蜜蜂说人类语言，但我们会对蜜蜂的迷人“语言”非常感兴趣——这是一种基于翅膀振动发声和三维空间位置的语言，蜜蜂能用身体传达非常细微的差异，比如阳光的变化。因此在理解动物语言时，我们首先要做的就是考虑动物如何用自己的方式，用自己的身体，在自己的世界观中进行复杂交流的能力。而在没有任何先验知识中学习到规律，正是大语言模型擅长的。大模型通过处理大量现有的语言内容来学习哪些单词应该组合在一起，以及以什么顺序组合。例如，“他喜欢加牛奶和两块糖的咖啡”，大模型学会了“咖啡”、“牛奶”和“糖”这些词经常一起使用。换句话说，大模型并不是通过被教授语法规则来学习一种新语言；也不是通过首先掌握英语，然后通过处理大量翻译内容来学习西班牙语。考虑到人类语言和动物“语言”存在潜在的相似性，比如几乎所有人类语言和动物的发声都是由音节长度和音高的停顿和变化构成的，这就为基于大模型破解动物语言奠定了哲学上的可行性。用《听不见的大自然》一书作者在 FT Tech Tonic 播客中说的，“你和我无法像蝙蝠一样回声定位，像大象一样吹喇叭，像蜜蜂一样嗡嗡作响。但我们的计算机可以。”计算机能处理人耳听不到的声音。人类能听到的声音范围是 20-20,000 赫兹，而海豚能探测的频率高达 160,000 赫兹；并且人工智能在识别细微差别方面更为擅长。下面的视频是抹香鲸之间的对话。我们的大脑无法区分是哪头鲸鱼在说话，但是（理论上）可以通过训练模型来识别不同抹香鲸的声音。，时长02:26视频来源：The Sound of Sperm Whales | WHALEZONE.TV考虑到群居动物交流的时候，往往发声的动物不止一个，因此按来源分离重叠的声音，是利用 AI 解读动物语言的第一步。之后要做的是收集大量的数据。这是目前的主要问题之一。因为即使经过几十年的手工录音和拍摄，科学家也只捕捉到了所需数据的一小部分。近年来，随着设备小型化、通信技术的进步，研究者可以让动物带上摄像头、录音设备或通过无人机持续记录数据，从而得以获得足够多的数据。AI 模型的训练过程，还是熟悉的配方：例如向机器输入所拥有数据的 80%，训练后的模型可以预测剩余 20%，即动物接下来将发出什么音节。这就像语言模型基于训练数据，预测句子中的下一个单词一样。复杂的鲸类语言在介绍基于 AI 解析动物语言的具体案例之前，读者可以想想科学界为什么对鲸鱼感兴趣。从历史文化角度来说，鲸歌在民间传说中反复出现，人们一直怀疑鲸鱼有着自己的语言。而从生理特性上，抹香鲸拥有所有动物中最大的大脑，且以家庭为单位生存。根据“社会复杂性”假说，有着复杂社交生活的动物需要演化出复杂的语言系统来应对社交需求。事实上，人们观察到抹香鲸可通过类似摩尔斯电码的“点击”声进行交流。例如多米尼加海岸附近的一群抹香鲸使用 1+1+3 的声音来自我识别。前面两个是均匀间隔的“点击”，之后是三个快速连续的“点击”。随着越来越多的证据表明鲸类的交流不是随机的、偶发的、简单的，而是遵循复杂逻辑构建，这就为首先研究鲸鱼语言提供了必要性论证。鲸类翻译倡议（Project CETI）是一项 TED 资助的研究项目，该研究专注于抹香鲸间的交流，计划用人工智能将鲸鱼发出的每个声音与特定的背景联系起来。CETI 项目的示意图丨图源：Project CETI / Alex Boersma考虑到鲸鱼的叫声可以在很远的距离内被听到——最远可达 6000 公里，了解哪头鲸说了什么以及什么情况下说的，对于人们理解“鲸语”潜在的含义至关重要。研究者还要考虑鲸类的声纳定位。所有有齿鲸类都有一个类似声纳发射的器官，它能用声音创建一个超出其眼睛所能看到的世界的 3D 视图，可类比智能驾驶中的激光测距雷达。因此当鲸鱼向特定方向发声时，研究者需要研究与特定声音关联的局部环境信息。2024 年 5 月 7 日，来自麻省理工学院（MIT）及 CETI 的研究者在 Nature Communication 上合作发表的论文可视为该项目的初步成果。该研究使用机器学习对抹香鲸录音做分析并可视化，证实了抹香鲸发出的声音是前后有关联性的，且像人类的发音那样，由不同特征组合形成。研究人员收集了来自东加勒比氏族抹香鲸的 8719 个尾声数据，构建了抹香鲸的“拼音字母表”。类似人类语言，抹香鲸发出的声音组合也不是均匀出现的，某些组合比其他组合更频繁；不同类型的尾声依次组合在一起，产生了一个更大的不同发声家族，这让人想起人类语音产生的二级组合结构（可类比拼音中的声母和韵母）。研究还发现，抹香鲸可以发出不同的尾声模式，而其他鲸鱼则能识别出不同鲸鱼发声的细微变化，表明它们有音色判别的能力。研究发现的抹香鲸字母表示意图。丨图源：参考文献[1]CETI 是一个预期持续五年的项目，如能完全成功，其结果也不会是将鲸鱼所说翻译成人类语言。AI 可能学会说“鲸语”，但不是对人类说的，人类只能依据 AI 的结果综合分析出鲸类在表达什么。目前已有基于声音检测的程序，识别出生病或受伤的逆戟鲸。如果让 AI 学会鲸类在搁浅之前发出的声音，则可提前预警，为此准备预防措施。船舶撞击对许多种类的鲸鱼构成严重威胁，想象一下，如果我们能“听到”一头鲸鱼或其群体在碰撞后呼叫声，得到的位置记录相关数据，必然会对未来的鲸鱼保护措施提供帮助。（尽管这些数据会让热爱动物的我心碎。）类似的项目还有地球物种项目（ESP），该项目试图使用AI工具来解码、标记甚至回应包括白鲸、夜莺、乌鸦和座头鲸等各种动物的叫声。该研究的成果之一是“动物声音基线”BEANS（the BEnchmark of ANimal Sounds），这是一个包括 12 个物种声音的数据集，涵盖鸟类、陆地和海洋哺乳动物、无尾两栖动物和昆虫，可用于检测相关分类算法的性能。BEANS的概述。丨图源：参考文献[2]地球物种项目还在尝试合成动物声音。如同人类的声音可以被深度伪造一样，鸟鸣声也可以。让 AI 读懂动物的情绪不论是猪、牛或者鸡，这些畜牧业中最重要的动物，正在由于工业化的圈养，而受到越来越不人道的待遇。工业化养殖不止伤害了饲养的动物，更不利于我们自身的生活环境。随着对动物权益的关注，人们想要了解诸如猪、牛等动物的情绪。这么做不止是为了符合（某些国家的）监管，更有可能产生实际的经济效益。近年来华为、网易等大厂都推出智能养猪项目，获得了很多关注。要想养好猪，首先要了解猪。近年已有多项研究，基于 AI 通过猪、牛、鸡等动物的脸部图片、视频和叫声，识别其情绪。研究人员通过多个摄像机持续记录动物行为，然后由兽医等专业人士根据场景进行人工标注：例如猪在吃东西时是开心的，在被人拖走时是紧张的。研究人员将其作为训练AI模型的标签，然后训练卷积（对图像）或循环（对声音）神经网络模型，给动物行为进行分类；最后用专家标注的标签当作金标准，用以评估模型的准确率。这也是这类研究的一贯套路。用于猪情绪识别的视频数据收集装置丨图源：参考文献[5]分别处在开心、中性、恐惧和愤怒状态下猪的图片示例。图源：参考文献[5]一项基于猪的 45 秒短视频进行情绪分类的研究，准确度达到 89.4%。另一项专注于猪和牛的研究（使用来自 6 个农场的 3780 张图片），通过识别动物耳朵动作和眼白区域的变化，研究人员构建了这两种动物情绪的实时分类模型。该模型将猪的情绪分为 6 种，牛的分为 3 种，准确率达到了 85%。根据耳朵对猪和牛进行情绪分类的示例丨图源：参考文献[7]同样，家畜声音也被收集训练以理解它们的情绪。一项基于 411 头猪，一生中的 7414 叫声及对应背景数据，研究人员开发出分类模型，区分正向和负向情绪，准确率可达到 91.4%。而一项预印本研究使用了 80 只鸡的样本，细致地记录并分析了它们在不同情境下的鸣叫。为了确保系统解读的准确性，研究者与一个由八位动物心理学家和兽医组成的团队合作，建立基于深度学习的模型，该系统可识别多种情绪，包括饥饿、恐惧、愤怒、满足、兴奋和痛苦。人工智能应用于动物研究不只是改善动物福利，更实际的是帮助检测动物疾病。剑桥大学研究者开发的 AI 系统能够检测羊的疼痛水平，这有助于对常见但严重的动物病症进行早期诊断和治疗。这项技术还可以应用于其他类型的动物。相关技术完善后，可以在动物饮用的水槽放置摄像头，系统就能够识别出疼痛的动物，从而及时治疗，减少损失。更贴近生活的研究，来自对宠物情绪的识别，例如文献[10]展示了对宠物狗情绪的分类模型。研究人员根据狗的面部图像建模，可识别不同品种宠物狗的情绪。当前市面上也有不少以“翻译宠物语言”为卖点的 APP 产品，然而根据当前研究水平，AI 只能够对情绪进行粗略地划分，并不支持想象中的与动物进行多轮复杂对话，这些 APP 也都是娱乐式的。事实上，由于动物和人的生活环境截然不同，与动物无障碍的交流，或许永远是一个难以实现的梦想。不同表情的宠物狗示例丨图源：参考文献[10]除了影像和声音，理解动物还可以基于脑电数据。2022 年的一项研究便通过事件相关电位（ERP），使用非侵入的方式，发现狗能够对人的声音迅速进行反应，能将人类富有情绪的发声与其面部表情相匹配。这项研究虽然与解读动物语言无关，但有了动物的脑电数据，将更准确、更直接地帮人类了解动物的所思所想。培养下一代公民科学家从巴甫洛夫的狗到珍妮·古道尔的黑猩猩，人们对动物语言和行为的研究，不断改变着我们认识自身的方式。我们在动物中找到人性共有的部分，再反观自身，找到人性中独特的与崇高的部分。从动物语言研究获得的新知越多，越让我们意识到和我们共享地球的生灵的复杂性。例如前述的关于抹香鲸的研究，抹香鲸能够通过节奏、语速、装饰音的组合产生复杂的语言，是除人类语言外第一个具有组合排列特征的语言系统。自从哥白尼原理将人类从宇宙的中心驱逐以来，我们又一次发现自身并没有那么特殊，这能教会我们要在未知面前保持谦卑。然而人类可能永远无法破译动物的语言。子非鱼安知鱼之乐，对动物的情绪进行简单分类，是基于人类专家按照自身 umwelt 的先入之见进行的判断。除了优点，我们也不该忘记技术存在被滥用的可能，以及新技术对生物伦理提出的新问题。识别鲸鱼的语言后，或许会让某些不择手段的公司跟随鲸鱼，前往未知的渔场捕鱼；即使算法能够生成足以以假乱真的抹香鲸的叫声（通过了抹香鲸版的“图灵测试”），贸然将合成的声音引入自然界已有的交流系统，也有可能改变鲸鱼之间正常的交流，或引发鲸鱼的焦虑，导致对野生动物的伤害。不过，尽管这类研究在哲学上存在争议，但其应用是具有实际的经济意义的，值得持续关注。随着智能家居的普及，自家宠物的一举一动都将被记录，为宠物开发的智能硬件，将会不仅跟踪宠物的饮食饮水、运动状况，还可能记录宠物的心跳血氧等数据。拥有了这些数据，意味着我们能够对动物开展之前受限于技术条件的研究。同时，这也意味着可以让更多普通人有机会成为“公民科学家”，通过贡献数据，进行干预性实验，以及参与数据分析，切身参与到第一线的科研活动。例如在很多轶事中出现的有超强学习天赋的狗，但如果只是特例的一两只，无法视作严谨的科学研究。2023 年的一项研究显示，通过普通人参与数据收集，有 41 只被认定为能根据主人指令拿起特定的玩具；基于收集到的数据，研究者进行了统计分析，发现了这些“天赋异禀”的狗的共性，甚至它们可被视为一个全新的品种。类似的研究，可以在众筹网站上由爱好者自行开放讨论，完善实验设计，募集所需资金，之后招募志愿者完成实际数据分析，最终合作撰写研究报告。例如笔者构想，可以让狗狗带上类似 GoPro 这样的相机，去记录遛狗时狗与其它动物间的互动：当遇见体型明显比自己大的狗，与体型比自己小的狗的时候，发出的叫声（或遇见同一性别或不同性别）有何差异。人们可以构建基于类似的动物互动的 AI 预测模型，搭建站在宠物视角的“翻译应用”。而非当下站在人类视角，将狗叫声翻译成如何想要与人互动这种“讨好型”的应用。这样的经历，对参与者来说会是一次有切身体验感的科普活动，会让他们懂得科学方法，提升批判性思维。类似的科研活动，比如记录鸟类的叫声和影像，门槛低、趣味性高，是大多数人都可参与的，尤其适合亲子互动。参考文献[1] https://www.nature.com/articles/s41467-024-47221-8[2] https://blog.google/technology/ai/protecting-orcas/[3] https://arxiv.org/abs/2210.12300[4] 菲利普·林伯里 （Philip Lymbery），失控的农业，人民日报出版社，2019.[5] https://www.nature.com/articles/s41598-024-51755-8.pdf[6] https://www.nature.com/articles/s41598-022-07174-8#Ack1[7] DOI: 10.1101/2021.04.09.439122[8] https://www.researchsquare.com/article/rs-3034567/v1[9] http://www.cl.cam.ac.uk/~pr10/publications/fg17.pdf[10] https://www.nature.com/articles/s41598-023-30442-0[11] https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rsos.211769[12] https://www.nature.com/articles/s41598-023-47864-5策划制作来源丨返朴（ID：fanpu2019）责编丨何通审校丨徐来、林林本文封面图片及文内图片来自版权图库转载使用可能引发版权纠纷原创图文转载请后台回复“转载” 作者： 2024/11/08 16:12
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