Witajcie. Dziś proponuję Wam chwilę wytchnienia od elektroniki, stali narzędziowej i unoszącego się w powietrzu zapachu chłodziwa. Mimo to artykuł wciąż będzie dotyczył urządzeń pomiarowych – tym razem jednak tych „bio”. Porozmawiamy bowiem o zmysłach – pokładowych systemach poznawczych, w które wyposażyła nas zupełnie za darmo matka natura.

Próby zrozumienia a następnie odtworzenia funkcji ludzkiego organizmu była i jest jednym z motorów napędzających rozwój technologii. Weźmy za przykład komputer – od lat sposób działania mózgu jest niedoścignionym wzorem przy tworzeniu nowych rozwiązań czy projektowaniu sieci. Rozważając kwestię kierunku rozwoju technologii możemy wręcz zadać pytanie – czy tworzenie urządzeń stricte technicznych ma w ogóle sens? Czy jest szansa na zbudowanie komputera wydajnego jak ludzki mózg, czy raczej powinniśmy go … wyhodować?

Lubię się nad tym zastanawiać, ale blog metrologiczny nie jest miejsce na pogawędki z pogranicza science-fiction i filozofii. Poza tym mam taki lęk, że nie czuję się pewnie tam, gdzie czegoś nie mogę zmierzyć, schodzę więc natychmiast na ziemię i zapraszam każdego z Was do zapoznania się bliżej z sobą samym. Temat jest bardzo obszerny i dobrze opisany w literaturze naukowej, toteż w artykule przedstawiam jego esencję, która może zaciekawić metrologa, a głodnych wiedzy odsyłam do źródeł wskazanych w przypisach pod artykułem.

Zmysły człowieka

Tradycyjnie przyjmuje się, że człowiek dysponuje pięcioma zmysłami odpowiadającymi za odbieranie informacji ze świata zewnętrznego. Są to:

1. Wzrok
2. Słuch
3. Zapach
4. Dotyk
5. Smak

Kolejność nie jest przypadkowa, przeprowadzono bowiem ankietę^[1] w celu ustalenia, który ze zmysłów jest dla nas najważniejszy? Pytanie było dość przewrotne, brzmiało bowiem: utraty którego ze zmysłów boisz się najbardziej?

Właściwym wydaje się jednak uzupełnienie listy zmysłów podstawowych o kilka dodatkowych, co podnoszone na forum naukowym jest zresztą coraz częściej, choć nie wszyscy zgadzają się na podniesienie danych z receptorów do rangi osobnych zmysłów. Lista rejestrowanych przez nas danych „uzupełniających” zawiera także:

• Równowagę i orientację w przestrzeni
• Upływ czasu
• Dane płynące z wewnątrz organizmu takie jak pragnienie czy głód (interorecepcja)

Z ewolucyjnego punktu widzenia rozwój zmysłów miał zapewniać przetrwanie, dlatego rozwijane były te najbardziej przydatne. Dlatego też różne gatunki w różnym stopniu wykształciły różne zmysły tak i w porównaniu z innymi stworzeniami człowiek na przykład relatywnie słabo wykształcił zdolność do detekcji zmian pola magnetycznego, podczerwieni czy ultra oraz infradźwięków. Postrzegamy więc głównie to co istotne – jeżeli wydaje nam się, że świat jest taki, jakim go widzimy, to jesteśmy w błędzie. W rzeczywistości każde stworzenie, a nawet każda jednostka w obrębie gatunku widzi świat nieco inaczej.

Układ pomiarowy

Operując żargonem metrologiczno-technicznym, układ pomiarowy człowieka składa się z receptorów (pełniących funkcje czujników/ sensorów), które w wyniku jakiegoś oddziaływania zostają pobudzone, po czym przekazują sygnał do neuronów. Sygnały te następnie są przetwarzane i interpretowane w mózgu. Według przyjętej powszechnie nomenklatury mówimy o narządach zmysłu, które uporządkowano w poniższej tabeli:

Zmysł	Narząd lub tkanka	Lokalizacja	Cecha bodźca, oddziaływanie
Wzrok	Oko	Siatkówka	Obraz, ruch, położenie, zmiany barw, niejednorodności
Słuch	Ucho	Wewnętrzne, narząd Cortiego	Analiza dźwięków
		przewody półkoliste	Przyspieszenie, ruchy obrotowe głowy, statyczne położenie ciała względem siły ciężkości
Węch	Nos	Nabłonek węchowy	Rozróżnianie zapachów
Smak	Język	Kubki smakowe	Rozróżnianie smaków
Dotyk, czucie	Skóra	Naskórek, Skóra właściwa, tkanka podskórna	Dotyk, ucisk, ból, drgania, czucie temperaturowe
	Mięśnie	Wrzeciona	Położenie i ruchy części ciała

W metrologii długości i kąta najczęściej wykorzystywać będziemy wzrok i dotyk i to właśnie dokładność tych zmysłów omówimy szerzej.

Dotyk

Największym ogranem zmysłowym jest skóra. Jest też pierwszym zmysłem, który wykształca się u płodu. Może osiągać powierzchnię nawet 2 m². Grubość waha się od 1,5 mm (powieki) do nawet 5 mm (pięty). Na tej powierzchni zlokalizowanych jest nawet 2 miliardy receptorów. Co ciekawe – skóra odpowiada za percepcję jednocześnie dotyku i temperatury. Z jaką czułością (w tym kontekście będziemy używali określenia czułość jako zdolność do zauważania najmniejszych zmian, a ponieważ nie dysponujemy urządzeniem wskazującym zastąpi nam ona także rozdzielczość:)?

• linie papilarne są w stanie wyczuć nierówności rzędu 4-5 mikrometrów. Bez problemu pozwalają na rozróżnienie materiału, z którego wykonany jest dotykany obiekt czy na zgrubną ocenę chropowatości powierzchni
• odczytać podświadomie możemy zmiany temperatury nawet 0,01 stopnia Celsjusza, efektywnie jednak jest to rząd niżej: 0,1-0,2 stopnia Celsjusza.
• aby pobudzić receptory czuciowe należy zaaplikować nacisk odpowiadający 0,85 g (nieświadomie już 3 mg) na 1 mm². To aż 100 milionów (!) razy więcej energii niż do pobudzenia ucha i aż 10 miliardów (!!) więcej niż wymaganych do pobudzenia naszego oka
• wyczuć możemy drgania mechaniczne o wartości 10^-5 m/s
• zmysł równowagi – kinestetyczny – wykrywa przyspieszenia rzędu 0,12 m/s², obrót głowy o wartości 2 stopnie.

Wzrok

Najważniejszy dla większości i jednocześnie dostarczający największej ilości danych (do 90%) zmysł – wzrok, jest paradoksalnie najmniej doskonały i w ujęciu ewolucyjnym wręcz nadmiernie skomplikowany. Z ogromu zakodowanych w świetle informacji wyłapujemy tylko niewielki wycinek. Nie widzimy na przykład dostatecznie liniowej polaryzacji światła, przez co nasz zmysł nawigacji jest znacznie gorszy niż u zwierząt. Widzenie jest też silnie zależne od otoczenia, w którym się odbywa i wymaga okresu stabilizacji.

Wzrok jest bardzo ważnym zmysłem w codziennej pracy metrologa. Decyduje między innymi o jakości odczytu z urządzeń analogowych i tu decydująca jest tak zwana akomodacja, czyli zdolność widzenia ostro z różnych odległości. Mówimy o punkcie bliży (najbliższy punkt umożliwiający dobrą ostrość – zwykle odległość dobrego widzenia wynosi ok. 250 mm) oraz o punkcie dali (najdalszy punkt umożliwiający ostre widzenie). Akomodacja zmienia się wraz z wiekiem, zależy także od oświetlenia czy zmęczenia operatora.

Żeby móc odróżnić od siebie 2 punkty, muszą powstać osobne dla każdego z nich obrazy na tzw. czopku lub pręciku, które znajdują się na siatkówce i są komórkami reagującymi odpowiednio na barwę lub natężenie światła. Komórki te rozmieszczone są co około 4 mikrometry od siebie. Wiemy też, że odległość soczewki od siatkówki wynosi około 15 mm. Te anatomiczne cechy wynikowo określają fizjologiczny kąt widzenia na wartość 1′. Mamy zatem komplet danych pozwalający obliczyć najmniejszą odległość od siebie punktów, abyśmy byli w stanie zakwalifikować je jako oddzielne:

h = X x tg 1′ = 0,073 mm

Wartość ta ma znaczący wpływ zdolności odczytowe a w konsekwencji projektowanie i budowę urządzeń pomiarowych. Przykładowo wartość wyjściowa 0,073 mm przekłada się na najmniejszą dopuszczalną długość działki elementarnej, aby można było dokonywać skutecznej interpolacji, i wynosi ona 0,8 mm (co najmniej 10 x 0,073 mm). Dopiero zastosowanie urządzeń wspomagających odczyt podnosi nasze możliwości do np. oceny braku koincydencji kresek noniusza rzędu 0,02 mm.

Wyniki badań i analiz pozwalają założyć, że błąd odczytu z analogowego urządzenia pomiarowego nie przekracza jednej dziesiątej wartości działki.

• Podczas korzystania z pewnych optycznych urządzeń pomiarowych typu projektor pomiarowy profili istotną rolę odgrywa także wrażliwość na kontrasty barwne i luminację (próg pobudliwości tej wielkości to 4 x10⁹ Lx)
• Ostrość widzenia: Punktem odniesienia jest możliwość rozpoznawania dwóch elementów pod kątem 1 minuty łukowej z odległości 5 m, lub 10 sekund kątowych, co odpowiada kropce o średnicy 0,5 mm widzianej z odległości 10 m
• Aby wyrazić w zrozumiałej jednostce czułość oka użyć możemy skali ISO stosowanej dla określania czułości filmów i aparatów fotograficznych. W dzień czułość oka wynosi około 1 ISO, w nocy 500-1000.
• Zdolność rozróżniania kolorów ma znaczenie choćby podczas dokonywania oceny szerokości szczeliny świetlnej z wykorzystaniem liniału krawędziowego. Istotnym utrudnieniem może okazać się zaburzenie rozróżniania barw, które dotyczyć może nawet 8% mężczyzn i tylko 0,04% kobiet.
• Oko jest wrażliwe na kąt – dużo łatwiej nam wychwycić nierównoległość powierzchni niż ocenić odległość między nimi. W ogóle ocena odległości mocno zależy od obecności obiektu odniesienia.

Konkluzja

W pracy metrologa zdecydowanie największe znaczenie ma wzrok, przekładający się bezpośrednio na jakość uzyskiwanych wyników. Warto pamiętać, że niestety pogarsza się on wraz z wiekiem, oraz że pewne czynniki takie jak stres, zmęczenie, warunki otoczenia dodatkowo wpływają nań negatywnie. Oko potrzebuje czasu na dostosowanie się do warunków, w których musi dokonać oceny. Metrologia i precyzyjne pomiary to zajęcie wymagające czasu i spokojnych warunków.

Warto także zwrócić w tym miejscu uwagę na fakt, że o stan naszych zmysłów możemy zadbać aby wydłużyć ich prawidłowe funkcjonowanie a nawet je „wyostrzyć”. Możemy zrobić to poprzez zdrowy tryb życia – w tym właściwy sen, dobre odżywianie i ćwiczenia.

Przypisy

[1]. Hutmacher, F. 2019. Why is there so much more research on vision than on any other sensory modality?

[2]. https://www.britannica.com/science/human-sensory-reception/Nerve-function

[3]. https://home.agh.edu.pl/~ergonom/Skrypt_Ergonomia-M.Wykowska/ergonomia/nr_15.htm

[4]. J. Malinowski – Pomiary Długości i kąta, WNT 1974