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科技实时资讯:触觉研究者发现皮肤的生物力学可以进行有用的触觉计算

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作为我们身体最大最突出的器官,皮肤也提供了我们与周围世界最基本的联系之一.. 从我们出生的那一刻起,它就与我们的每一次身体互动密切相关。

虽然科学家已经研究了触觉,或者说触觉,一个多世纪以来,它如何工作的许多方面仍然是个谜。

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员Yon Visell说:“触觉并不完全被理解,尽管它是我们与世界互动能力的核心。 “我们用手做的任何事情——拿起一个杯子,签上我们的名字,或者在我们的包里找到钥匙——如果没有触觉,任何事情都是可能的。 然而,我们不能完全理解皮肤所捕捉到的感觉的性质,也不能完全理解它们是如何被处理的,以便能够感知和行动。

我们有更好的模型来描述我们的其他感官,如视觉和听觉,是如何工作的,但我们对触觉如何工作的理解要少得多,他补充说。

为了帮助填补这一空白,维塞尔和他的研究团队,包括邵一天和索邦大学的合作者文森特·海沃德,一直在研究触摸感觉的物理学-触摸物体是如何在皮肤中产生影响我们感觉的信号的。 在科学进步杂志上发表的一项研究(Link)中,该小组揭示了皮肤的内在弹性如何帮助触觉感知。 值得注意的是,它们表明,皮肤不仅不是一种简单的传感材料,而且还可以帮助触觉信息的处理。

为了理解触摸的这一重要但鲜为人知的方面,维塞尔认为思考眼睛,我们的视觉器官,如何处理光学信息是有帮助的。

他说:“人类视觉依赖于眼睛的光学来将光线聚焦到视网膜上的图像中。” “视网膜含有光敏感的受体,这些受体将这种图像转化为我们大脑用来分解和解释我们所看到的信息。”

维塞尔继续说,当我们用皮肤接触表面时,类似的过程就会展开。 类似于角膜和虹膜这样的结构,它们捕捉并将光线聚焦到视网膜上,皮肤的弹性将触觉信号分配给整个皮肤的感觉感受器。

在以前的工作的基础上,研究人员使用了一组戴在手上的微小加速度计来感知和编目由敲击、滑动或抓取等动作产生的振动的空间模式,这里的研究人员使用了一种类似的方法来捕捉随着手感觉环境而产生的振动的空间模式。

“我们使用了一个由30个三轴传感器组成的定制设备,轻轻地粘在皮肤上,”主要作者邵解释说。 然后我们要求实验中的每个参与者用他们的手进行许多不同的触摸交互。 研究小组收集了近5000个这样的相互作用的数据集,并分析了这些数据,以解释触觉产生的振动模式的传输是如何在触觉信号中通过手形信息内容传输的。 振动模式产生于皮肤内部的弹性耦合。

然后,该小组分析了这些模式,以澄清手中振动的传递如何塑造触觉信号中的信息。 邵解释说:“我们使用了一个数学模型,将手中感觉到的高维信号表示为少数原始模式的组合。” 原始模式提供了一个紧凑的词汇,或字典,压缩信号中信息的大小,使它们能够更有效地编码。

这种分析产生了十几种或更少的原始波模式-皮肤在整个手中的振动,可以用来捕捉手感觉到的触觉信号中的信息。 维塞尔说,这些原始振动模式的显著特点是它们自动反映了手的结构和皮肤中的波传递物理。

他解释说:“弹性在皮肤中起着非常基本的作用,即使接触发生在一个小的皮肤区域,也能吸引成千上万的感觉感受器在皮肤中进行触摸。” “这使我们能够使用比其他方式更多的感官资源来解释我们所接触的东西。” 他们的研究的显著发现是,这一过程也使得更有效地捕捉触觉信号中的信息成为可能,Visell说。 这种信息处理通常被认为是由大脑而不是皮肤进行的。

维塞尔说,机械传动在皮肤中的作用在某些方面类似于内耳机械在听觉中的作用。 1961年,冯·贝凯西获得诺贝尔奖,他的作品展示了内耳力学如何促进听觉加工。 通过将不同频率含量的声音传播到耳朵中不同的感觉感受器,它们帮助听觉系统编码声音。 该团队的工作表明,类似的过程可能缺乏触觉。

研究人员认为,这些发现不仅有助于我们对大脑的理解,而且还可能为截肢者未来假肢的工程提出新的方法,这些假肢可能被赋予类似皮肤的弹性材料。 类似的方法也有一天可以用来改善下一代机器人的触觉感知。

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