觸覺(jué)研究將改變我們的生活

早上起床后，研究觸覺(jué)反饋的機(jī)械工程師杰里米·布朗常常要吃一個(gè)鱷梨（也就是我們常見(jiàn)的牛油果）。他會(huì)先輕按一下，給它一點(diǎn)擠壓力，但用力不會(huì)太大。成熟的鱷梨會(huì)屈服于這種壓力，略微下陷一點(diǎn)。布朗還會(huì)用手掂量一下梨的重量，摸摸它蠟質(zhì)的果皮，還有它的隆起處。布朗說(shuō)：“我無(wú)法想象，假如沒(méi)有觸覺(jué)，像判斷鱷梨成熟度這樣簡(jiǎn)單的事，我們?nèi)绾尾拍軌蜃龅剑俊?/p>

傳染病大流行期間，我們對(duì)于觸覺(jué)接觸比平時(shí)有了更多的感觸和思考。除了親人之間，擁抱、擊掌和握手這類接觸行為比以往少多了，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的激增也意味著人們有意識(shí)地減少在商場(chǎng)挑選時(shí)與物品直接接觸的機(jī)會(huì)。

我們觸摸任何東西的感知體驗(yàn)，都是大腦中數(shù)千條神經(jīng)纖維和數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)的產(chǎn)物。身體的自然觸感非常復(fù)雜，神經(jīng)感受器通過(guò)檢測(cè)壓力、形狀、運(yùn)動(dòng)、質(zhì)地、溫度等信息，引發(fā)多種模式的神經(jīng)活動(dòng)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行解釋，于是我們就可以判斷某物是光滑的還是粗糙的，是濕的還是干的，是移動(dòng)的還是靜止的……

假如沒(méi)有觸覺(jué)，怎么判斷鱷梨的成熟度成為難題

我們觸摸任何東西的感知體驗(yàn)，都是大腦中數(shù)千條神經(jīng)纖維和數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)的產(chǎn)物

神經(jīng)科學(xué)是觸覺(jué)研究的核心，但布朗和其他機(jī)械工程師，以及數(shù)學(xué)和材料科學(xué)方面的專家，也在研究觸覺(jué)，并打算將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。他們希望通過(guò)觸覺(jué)研究可以改進(jìn)一些現(xiàn)有技術(shù)，或開(kāi)發(fā)出模擬觸覺(jué)感覺(jué)的新技術(shù)。

科學(xué)家和工程師通過(guò)對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)觸摸刺激反應(yīng)的更多了解，開(kāi)始研究人體皮膚與不同物質(zhì)接觸的相互作用，以及人體發(fā)送和接收模擬觸覺(jué)的方式，這些極具挑戰(zhàn)性的研究正在取得進(jìn)展。在不久的未來(lái)，失去肢體的人將有可能通過(guò)安裝假肢恢復(fù)一些觸覺(jué)，在更遠(yuǎn)的未來(lái)，觸覺(jué)研究將開(kāi)發(fā)出更多新科技，如增加網(wǎng)上購(gòu)物的觸感，創(chuàng)建遠(yuǎn)程醫(yī)療的新形式，拓展虛擬現(xiàn)實(shí)世界的新體驗(yàn)等。

觸覺(jué)研究模仿和重現(xiàn)真實(shí)觸感

現(xiàn)有技術(shù)讓人們可以在虛擬現(xiàn)實(shí)中體驗(yàn)在國(guó)際空間站漫步，或在天然氣井周圍行進(jìn)的感受。為了讓觸覺(jué)也成為這種體驗(yàn)的一部分，研究人員正在對(duì)觸發(fā)觸覺(jué)的信號(hào)進(jìn)行研究。

我們的身體布滿了對(duì)觸摸產(chǎn)生反應(yīng)的神經(jīng)末梢，我們的手，尤其是我們的指尖，對(duì)觸覺(jué)特別敏感。一些觸覺(jué)感受器告訴我們身體各個(gè)部分相對(duì)于其他部分的位置，另一些觸覺(jué)感受器讓我們感知疼痛和溫度。觸覺(jué)研究人員的目標(biāo)之一是模仿力和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的觸感，如壓力、滑動(dòng)或摩擦。

每當(dāng)你與某個(gè)物體互動(dòng)接觸時(shí)，你的皮膚就會(huì)輕微變形，或者被輕輕擠壓：用手指輕按盲文字母凸起的圓點(diǎn)，這些圓點(diǎn)會(huì)輕戳你的皮膚；用手指摩擦織物，這個(gè)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生難以覺(jué)察的輕微震感。

四種主要類型的觸覺(jué)感受器對(duì)這些刺激做出反應(yīng)，與物體的一次接觸可對(duì)多種類型觸覺(jué)受體產(chǎn)生影響。

一種叫作“帕西尼氏”小體的受體位于皮膚深處，它們擅長(zhǎng)探測(cè)與不同紋理交互作用時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。受到觸摸刺激，受體會(huì)發(fā)出一系列信號(hào)傳遞到大腦，大腦將這些信號(hào)解釋為接觸到某種特殊的結(jié)構(gòu)。這就好比我們通過(guò)聽(tīng)覺(jué)來(lái)識(shí)別音符和曲子一樣。

手指對(duì)溫度的感覺(jué)

我們的身體布滿了對(duì)觸摸產(chǎn)生反應(yīng)的神經(jīng)末梢，我們的手，尤其是我們的指尖，對(duì)觸覺(jué)特別敏感

觸摸每一種材質(zhì)（如燈芯絨、針織面料、牛仔面料）都會(huì)產(chǎn)生一組不同的振動(dòng)模式

觸摸每一種材質(zhì)（如燈芯絨、針織面料、牛仔面料等）都會(huì)產(chǎn)生一組不同的振動(dòng)模式，這些不同質(zhì)地的材料在皮膚上產(chǎn)生的振動(dòng)模式是可測(cè)量的。這種測(cè)量是研究人員試圖重現(xiàn)不同材料的質(zhì)感所走出的第一步。

這種接觸產(chǎn)生的振動(dòng)波為一種接觸界面彈性波，猶如水波，稱為“瑞利波”。只不過(guò)這種接觸產(chǎn)生的瑞利波能量十分小。但這種瑞利波可以深入抵達(dá)帕西尼氏受體。瑞利波是地震波的一種，但地震中產(chǎn)生的瑞利波的強(qiáng)度和破壞力要大得多。

并不是所有的觸碰都有觸發(fā)帕西尼亞受體反應(yīng)的足夠力量。為深入了解哪些相互作用會(huì)刺激這些受體，研究人員收集了狗、海豚、犀牛、大象和其他哺乳動(dòng)物的四肢、頭部或頸部與物體產(chǎn)生觸感的大量數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出了哺乳動(dòng)物觸覺(jué)的“通用標(biāo)度律”模式。

大多數(shù)情況下，如果觸摸產(chǎn)生的瑞利波長(zhǎng)度與受體深度之比為5 2，皮膚表面的觸摸將觸發(fā)皮膚深處帕西尼氏受體的反應(yīng)。達(dá)到這個(gè)比例或更高比例時(shí)，人類與大多數(shù)其他哺乳動(dòng)物就可以感受到這種觸覺(jué)感知。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)哺乳動(dòng)物物種中，觸發(fā)帕西尼氏受體感覺(jué)的皮膚位移量的波長(zhǎng)是相同的，但不同物種需要或多或少的力來(lái)引起皮膚位移，可能取決于皮膚成分或其他因素。該研究揭示了“需要什么樣的信息才能真實(shí)地捕捉觸覺(jué)體驗(yàn)，并將這種觸感信息以數(shù)字化形式發(fā)送到任何地方”，然后人們可以通過(guò)某種裝置或利用超聲波來(lái)體驗(yàn)這種觸感。有朝一日，這項(xiàng)研究或可有助于提供更廣泛的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，包括虛擬擁抱。

在線觸覺(jué)購(gòu)物提升數(shù)字生活品質(zhì)

機(jī)械工程師希普韋爾在網(wǎng)上瀏覽了各種沙發(fā)，而因?yàn)闊o(wú)法感覺(jué)到沙發(fā)面料的質(zhì)地，她最后還是沒(méi)買。

隨著研究深入，可以預(yù)料，未來(lái)在線上購(gòu)物，你也可以利用觸覺(jué)來(lái)感知布料。網(wǎng)頁(yè)的計(jì)算機(jī)代碼可讓屏幕上的某個(gè)區(qū)域模仿不同的紋理，也許是通過(guò)電荷變化、振動(dòng)信號(hào)、超聲波或其他方法。觸摸屏幕可以讓你通過(guò)觸感了解一件毛衣的質(zhì)地是否柔軟，或者沙發(fā)的織物表面是凹凸的還是平滑的。

但在實(shí)現(xiàn)這一切之前，我們首先需要理解對(duì)屏幕觸覺(jué)感知產(chǎn)生影響的幾個(gè)條件。

可以預(yù)料，未來(lái)在線上購(gòu)物，你也可以利用觸覺(jué)來(lái)感知布料

科學(xué)家認(rèn)為，納米（十億分之一米）尺度的表面特征可以影響我們的觸覺(jué)感知。當(dāng)空氣中的濕氣與皮膚的油脂和汗液混合在一起時(shí)，我們可能意識(shí)不到空氣是否潮濕，但水分的微小變化卻可以改變手指在屏幕上移動(dòng)時(shí)的摩擦力，這種摩擦力足以影響我們對(duì)屏幕紋理的感知。

電荷變化也會(huì)改變手指和觸摸屏之間的吸引力，這種吸引力被稱為“靜電吸附力”，它也會(huì)影響我們觸摸屏幕時(shí)的觸覺(jué)體驗(yàn)。希普韋爾的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)模型解釋了靜電吸附力、水分和皮膚對(duì)玻璃的擠壓變形影響之間的關(guān)系。

希普韋爾希望，這個(gè)模型能幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)超越現(xiàn)有網(wǎng)上購(gòu)物體驗(yàn)的觸覺(jué)觸摸屏。例如，網(wǎng)上購(gòu)物者可以通過(guò)觸摸屏幕感知布料質(zhì)地，未來(lái)汽車駕駛員也可以輕按儀表盤的觸摸屏來(lái)改變車內(nèi)溫度或收音機(jī)設(shè)置。

觸感皮膚貼片促進(jìn)遠(yuǎn)程醫(yī)療開(kāi)展

視頻并不能讓醫(yī)生感知到腺體腫脹，也不能讓醫(yī)生按壓患者腹部檢查腫塊。在這樣的情況下，增加了觸覺(jué)反饋功能的遠(yuǎn)程醫(yī)療將造福更多患者，特別是給那些缺少醫(yī)生的偏遠(yuǎn)地區(qū)的病人帶來(lái)極大方便。

未來(lái)家庭、藥店或工作場(chǎng)所的遙感設(shè)備、機(jī)器人或其他帶有傳感器的設(shè)備，可以接觸到患者身體的某些部位，在另一處地方遙控診病的醫(yī)生就可以通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的電子信息，體驗(yàn)觸摸診病的真實(shí)感覺(jué)。

研究人員正在開(kāi)始研究能夠?qū)⒂|覺(jué)反饋在數(shù)字信息和真實(shí)觸感之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的材料，同樣的材料也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中用來(lái)傳遞信息。有科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一種皮膚貼片。這種柔性貼片中的一層直接貼在人的皮膚上，其他層包括一個(gè)可伸縮的電路板和極微小的執(zhí)行器。電流在周圍流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)無(wú)線信號(hào)控制執(zhí)行器的打開(kāi)或關(guān)閉，運(yùn)行貼片的能量也來(lái)自無(wú)線信號(hào)。

未來(lái)借助傳感器設(shè)備可以遠(yuǎn)程醫(yī)療

研究人員已對(duì)貼片做了進(jìn)一步改進(jìn)，減少了厚度，減輕了重量，并為佩戴者提供詳盡信息。他們將系統(tǒng)擴(kuò)展為模塊化形式，允許用戶以一種即插即用的方式定制貼片的尺寸和形狀。到目前為止，已開(kāi)發(fā)出可以同時(shí)作用于身體不同部位的多種貼片。

研究團(tuán)隊(duì)希望將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于消費(fèi)者擁有的其他電子產(chǎn)品，如智能手機(jī)。為此，他們開(kāi)發(fā)了一種壓力敏感的觸摸屏界面，通過(guò)在智能手機(jī)或電腦觸摸屏上移動(dòng)手指來(lái)提供觸感信息，佩戴貼片的人可感覺(jué)到撫摸、敲擊等觸感。

觸覺(jué)反饋系統(tǒng)改善人工假肢的控制精度和力度

科學(xué)家還開(kāi)發(fā)了一種利用貼片系統(tǒng)從假肢指尖施加的壓力中提取信號(hào)的方法，其他研究人員也在測(cè)試如何給假肢增加觸覺(jué)反饋。壓力和運(yùn)動(dòng)反饋信息可以幫助用假肢行走的人更有信心，同時(shí)減輕患肢疼痛。

機(jī)械工程師布朗希望可以通過(guò)觸覺(jué)反饋來(lái)幫助人們控制假肢的力量。他認(rèn)為，正常人會(huì)本能地調(diào)整手的力量。例如，當(dāng)他在停車場(chǎng)牽著女兒小手的時(shí)候，如果她想抽離，他就會(huì)不由自主地輕抓她的手，但如果他沒(méi)有正常的觸感，控制不好力度，就會(huì)很容易傷到女兒。

在手腕附近綁上一個(gè)裝置

在一項(xiàng)研究中，布朗的研究小組測(cè)試了兩種增加電子肢體對(duì)物體施加力做出反饋的系統(tǒng)。一種是利用外骨骼在人的肘部周圍施加力，另一種是在手腕附近綁上一個(gè)裝置。研究人員利用健康志愿者對(duì)這兩種裝置進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果顯示，這兩種反饋系統(tǒng)效果都很好，用戶可以根據(jù)反饋的強(qiáng)度來(lái)控制好施加的力，這項(xiàng)研究為改善肌肉控制的電子肢體提供了新的途徑。

一些研究人員也開(kāi)展了相關(guān)研究：仿生手拇指上的觸覺(jué)傳感器發(fā)出信號(hào)，傳遞到植入手臂尺骨神經(jīng)周圍的電極。這種仿生手在三位失去一只手的志愿者身上進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)仿生手拇指被戳碰時(shí)，他們都感覺(jué)到了觸感，但觸感好像來(lái)自手的其他地方。這是因?yàn)?，雖然研究人員可以選擇電極刺激某根神經(jīng)，但他們不知道會(huì)對(duì)神經(jīng)中的哪束纖維產(chǎn)生影響，而不同的神經(jīng)纖維束接收并反饋施加于手上不同部分的觸感。即使使用了一年多的假肢，這種不匹配的情況也沒(méi)有得到改善，大腦不能對(duì)這種情況進(jìn)行修正。

盡管如此，使用這種有觸感仿生手的人在抓取物體時(shí)對(duì)假肢有更好的控制精度和控制力度。參加測(cè)試的志愿者說(shuō)，有觸覺(jué)反饋功能的仿生手更像是他們身體的一部分。

仿生手拇指上的觸覺(jué)傳感器發(fā)出信號(hào)，傳遞到植入手臂尺骨神經(jīng)周圍的電極

仿生手研究表明，觸覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步可能不會(huì)一開(kāi)始就非常完美。事實(shí)上，虛擬擁抱和其他模擬觸摸體驗(yàn)可能永遠(yuǎn)比不上真實(shí)的體驗(yàn)，但觸覺(jué)反饋研究可以幫助我們?cè)谖磥?lái)用一種新的方式去探索世界，通過(guò)模擬真實(shí)的觸感，與我們的親朋好友保持更密切的聯(lián)系。

觸感的普遍性

通過(guò)對(duì)觸摸物體時(shí)沿皮膚移動(dòng)的瑞利波（即表面波，固體物表面的運(yùn)動(dòng)波）的長(zhǎng)度與帕西尼氏受體觸摸感受器的深度之比的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，除了嚙齒動(dòng)物外，在幾種哺乳動(dòng)物中，皮膚中相同的變形量可產(chǎn)生類似的感覺(jué)。