觸覺(jué)研究者發(fā)現(xiàn)皮膚的生物力學(xué)可以進(jìn)行有用的觸覺(jué)計(jì)算

作為我們身體最大最突出的器官，皮膚也提供了我們與周?chē)澜缱罨镜穆?lián)系之一.. 從我們出生的那一刻起，它就與我們的每一次身體互動(dòng)密切相關(guān)。

雖然科學(xué)家已經(jīng)研究了觸覺(jué)，或者說(shuō)觸覺(jué)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，它如何工作的許多方面仍然是個(gè)謎。

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員Yon Visell說(shuō)：“觸覺(jué)并不完全被理解，盡管它是我們與世界互動(dòng)能力的核心。 “我們用手做的任何事情——拿起一個(gè)杯子，簽上我們的名字，或者在我們的包里找到鑰匙——如果沒(méi)有觸覺(jué)，任何事情都是可能的。 然而，我們不能完全理解皮膚所捕捉到的感覺(jué)的性質(zhì)，也不能完全理解它們是如何被處理的，以便能夠感知和行動(dòng)。

我們有更好的模型來(lái)描述我們的其他感官，如視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，是如何工作的，但我們對(duì)觸覺(jué)如何工作的理解要少得多，他補(bǔ)充說(shuō)。

為了幫助填補(bǔ)這一空白，維塞爾和他的研究團(tuán)隊(duì)，包括邵一天和索邦大學(xué)的合作者文森特·海沃德，一直在研究觸摸感覺(jué)的物理學(xué)-觸摸物體是如何在皮膚中產(chǎn)生影響我們感覺(jué)的信號(hào)的。 在科學(xué)進(jìn)步雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究(Link)中，該小組揭示了皮膚的內(nèi)在彈性如何幫助觸覺(jué)感知。 值得注意的是，它們表明，皮膚不僅不是一種簡(jiǎn)單的傳感材料，而且還可以幫助觸覺(jué)信息的處理。

為了理解觸摸的這一重要但鮮為人知的方面，維塞爾認(rèn)為思考眼睛，我們的視覺(jué)器官，如何處理光學(xué)信息是有幫助的。

他說(shuō)：“人類(lèi)視覺(jué)依賴(lài)于眼睛的光學(xué)來(lái)將光線(xiàn)聚焦到視網(wǎng)膜上的圖像中。” “視網(wǎng)膜含有光敏感的受體，這些受體將這種圖像轉(zhuǎn)化為我們大腦用來(lái)分解和解釋我們所看到的信息?！?/p>

維塞爾繼續(xù)說(shuō)，當(dāng)我們用皮膚接觸表面時(shí)，類(lèi)似的過(guò)程就會(huì)展開(kāi)。 類(lèi)似于角膜和虹膜這樣的結(jié)構(gòu)，它們捕捉并將光線(xiàn)聚焦到視網(wǎng)膜上，皮膚的彈性將觸覺(jué)信號(hào)分配給整個(gè)皮膚的感覺(jué)感受器。

在以前的工作的基礎(chǔ)上，研究人員使用了一組戴在手上的微小加速度計(jì)來(lái)感知和編目由敲擊、滑動(dòng)或抓取等動(dòng)作產(chǎn)生的振動(dòng)的空間模式，這里的研究人員使用了一種類(lèi)似的方法來(lái)捕捉隨著手感覺(jué)環(huán)境而產(chǎn)生的振動(dòng)的空間模式。

“我們使用了一個(gè)由30個(gè)三軸傳感器組成的定制設(shè)備，輕輕地粘在皮膚上，”主要作者邵解釋說(shuō)。 然后我們要求實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)參與者用他們的手進(jìn)行許多不同的觸摸交互。 研究小組收集了近5000個(gè)這樣的相互作用的數(shù)據(jù)集，并分析了這些數(shù)據(jù)，以解釋觸覺(jué)產(chǎn)生的振動(dòng)模式的傳輸是如何在觸覺(jué)信號(hào)中通過(guò)手形信息內(nèi)容傳輸?shù)摹?振動(dòng)模式產(chǎn)生于皮膚內(nèi)部的彈性耦合。

然后，該小組分析了這些模式，以澄清手中振動(dòng)的傳遞如何塑造觸覺(jué)信號(hào)中的信息。 邵解釋說(shuō)：“我們使用了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將手中感覺(jué)到的高維信號(hào)表示為少數(shù)原始模式的組合?！?原始模式提供了一個(gè)緊湊的詞匯，或字典，壓縮信號(hào)中信息的大小，使它們能夠更有效地編碼。

這種分析產(chǎn)生了十幾種或更少的原始波模式-皮膚在整個(gè)手中的振動(dòng)，可以用來(lái)捕捉手感覺(jué)到的觸覺(jué)信號(hào)中的信息。 維塞爾說(shuō)，這些原始振動(dòng)模式的顯著特點(diǎn)是它們自動(dòng)反映了手的結(jié)構(gòu)和皮膚中的波傳遞物理。

他解釋說(shuō)：“彈性在皮膚中起著非常基本的作用，即使接觸發(fā)生在一個(gè)小的皮膚區(qū)域，也能吸引成千上萬(wàn)的感覺(jué)感受器在皮膚中進(jìn)行觸摸?！?“這使我們能夠使用比其他方式更多的感官資源來(lái)解釋我們所接觸的東西。” 他們的研究的顯著發(fā)現(xiàn)是，這一過(guò)程也使得更有效地捕捉觸覺(jué)信號(hào)中的信息成為可能，Visell說(shuō)。 這種信息處理通常被認(rèn)為是由大腦而不是皮膚進(jìn)行的。

維塞爾說(shuō)，機(jī)械傳動(dòng)在皮膚中的作用在某些方面類(lèi)似于內(nèi)耳機(jī)械在聽(tīng)覺(jué)中的作用。 1961年，馮·貝凱西獲得諾貝爾獎(jiǎng)，他的作品展示了內(nèi)耳力學(xué)如何促進(jìn)聽(tīng)覺(jué)加工。 通過(guò)將不同頻率含量的聲音傳播到耳朵中不同的感覺(jué)感受器，它們幫助聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)編碼聲音。 該團(tuán)隊(duì)的工作表明，類(lèi)似的過(guò)程可能缺乏觸覺(jué)。

研究人員認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于我們對(duì)大腦的理解，而且還可能為截肢者未來(lái)假肢的工程提出新的方法，這些假肢可能被賦予類(lèi)似皮膚的彈性材料。 類(lèi)似的方法也有一天可以用來(lái)改善下一代機(jī)器人的觸覺(jué)感知。