觸覺研究者發(fā)現(xiàn)皮膚的生物力學(xué)可以進(jìn)行有用的觸覺計算

作為我們身體最大最突出的器官，皮膚也提供了我們與周圍世界最基本的聯(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密切相關(guān)。

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

加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員Yon Visell說：“觸覺并不完全被理解，盡管它是我們與世界互動能力的核心。 “我們用手做的任何事情——拿起一個杯子，簽上我們的名字，或者在我們的包里找到鑰匙——如果沒有觸覺，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。

我們有更好的模型來描述我們的其他感官，如視覺和聽覺，是如何工作的，但我們對觸覺如何工作的理解要少得多，他補(bǔ)充說。

為了幫助填補(bǔ)這一空白，維塞爾和他的研究團(tuán)隊，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)生影響我們感覺的信號的。 在科學(xué)進(jìn)步雜志上發(fā)表的一項研究(Link)中，該小組揭示了皮膚的內(nèi)在彈性如何幫助觸覺感知。 值得注意的是，它們表明，皮膚不僅不是一種簡單的傳感材料，而且還可以幫助觸覺信息的處理。

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，我們的視覺器官，如何處理光學(xué)信息是有幫助的。

他說：“人類視覺依賴于眼睛的光學(xué)來將光線聚焦到視網(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)化為我們大腦用來分解和解釋我們所看到的信息?！?/p>

維塞爾繼續(xù)說，當(dāng)我們用皮膚接觸表面時，類似的過程就會展開。 類似于角膜和虹膜這樣的結(jié)構(gòu)，它們捕捉并將光線聚焦到視網(wǎng)膜上，皮膚的彈性將觸覺信號分配給整個皮膚的感覺感受器。

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來感知和編目由敲擊、滑動或抓取等動作產(chǎn)生的振動的空間模式，這里的研究人員使用了一種類似的方法來捕捉隨著手感覺環(huán)境而產(chǎn)生的振動的空間模式。

“我們使用了一個由30個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。 然后我們要求實驗中的每個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)，以解釋觸覺產(chǎn)生的振動模式的傳輸是如何在觸覺信號中通過手形信息內(nèi)容傳輸?shù)摹?振動模式產(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，以澄清手中振動的傳遞如何塑造觸覺信號中的信息。 邵解釋說：“我們使用了一個數(shù)學(xué)模型，將手中感覺到的高維信號表示為少數(shù)原始模式的組合。” 原始模式提供了一個緊湊的詞匯，或字典，壓縮信號中信息的大小，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-皮膚在整個手中的振動，可以用來捕捉手感覺到的觸覺信號中的信息。 維塞爾說，這些原始振動模式的顯著特點是它們自動反映了手的結(jié)構(gòu)和皮膚中的波傳遞物理。

他解釋說：“彈性在皮膚中起著非?；镜淖饔?，即使接觸發(fā)生在一個小的皮膚區(qū)域，也能吸引成千上萬的感覺感受器在皮膚中進(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，這一過程也使得更有效地捕捉觸覺信號中的信息成為可能，Visell說。 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，機(jī)械傳動在皮膚中的作用在某些方面類似于內(nèi)耳機(jī)械在聽覺中的作用。 1961年，馮·貝凱西獲得諾貝爾獎，他的作品展示了內(nèi)耳力學(xué)如何促進(jìn)聽覺加工。 通過將不同頻率含量的聲音傳播到耳朵中不同的感覺感受器，它們幫助聽覺系統(tǒng)編碼聲音。 該團(tuán)隊的工作表明，類似的過程可能缺乏觸覺。

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