研究发现皮肤的生物力学可以执行有用的触觉计算

　　作为我们身体最大和最突出的器官，皮肤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，它就与我们所拥有的每一种身体互动密切相关。尽管科学家们已经研究了触感或触觉已经有一个多世纪了，但是在它如何工作的许多方面仍然是个谜。

　　坎特伯雷大学圣巴巴拉分校的触觉研究人员Yon Visell说：“虽然触觉是我们与世界互动能力的核心，但我们还不能完全理解它，我们用手拿起杯子，或是在包里找到钥匙，这一切都离不开触觉。然而，我们还不完全了解皮肤所捕捉到的感觉的性质，也不完全了解它们是如何被加工来实现感知和行动的，我们有更好的模型来描述其他感官（如视觉和听觉）的工作方式，但我们对触觉工作方式的理解远不够完整。”

　　为了填补这一空白，Visell和他的研究团队（包括邵逸天和Sorbonne的合作者Vincent Hayward）一直在研究触觉物理学，即触摸物体如何在皮肤中产生信号，从而塑造我们的感觉。在《科学进步》杂志上的一项研究中，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，他们表明，皮肤不仅是一种简单的感知材料，还可以帮助处理触觉信息。

　　首先，可以先了解一下什么是“触觉”。为了理解触觉的这一重要但鲜为人知的方面，Visell认为思考一下眼睛（即我们的视觉器官）如何处理光学信息会有所帮助。他说：“人类的视觉依靠眼睛的光学特性将光线聚焦成视网膜上的图像。视网膜包含感光受体，这些受体将图像转换成信息，我们的大脑会使用这些信息来分解和解释我们所看的东西。当我们用皮肤接触表面时，类似的过程就会展开，类似于角膜和虹膜等结构将光线捕获并聚焦到视网膜上，皮肤的弹性将触觉信号分配到整个皮肤的感觉受体。”

　　接下来，要先弄清楚怎样收集触觉数据。在以前工作的基础上，研究人员使用戴在手上的微型加速度计阵列来感测和分类由敲击、滑动或抓握等动作产生的振动的空间模式，并采用类似的方法来捕捉手感觉环境时产生的振动的空间模式。首席作者邵逸天解释说：“我们使用了一个由30个三轴传感器组成的定制设备，这些传感器轻轻地粘在皮肤上。然后，我们让实验中的每个参与者用手进行许多不同的触摸交互。”该研究小组收集了近5000个这样的交互数据集，并分析了这些数据来解释触觉的传递是如何产生振动模式的，这些振动模式是通过触觉信号中的手形信息内容来传递的，振动模式是由皮肤内部的弹性耦合引起的。

　　随后，研究人员对这些数据中蕴藏的振动模式进行分析，以阐明触觉信号中手形信息振动的传递方式。邵逸天说：“我们使用了一个数学模型，其中整个手部感觉到的高维信号被表示为少量原始模式的组合，原始模式提供了一个紧凑的词典或字典，可以压缩信号中信息的大小，从而可以更有效地对其进行编码。这种分析产生了十几个或更少的手部皮肤的原始波形振动，可以用来捕捉手感觉到的触觉信号中的信息，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播物理原理。弹性在皮肤中起着非常基本的作用，它能让成千上万的感觉感受器参与到皮肤的接触中来，即使接触发生在一个很小的皮肤区域。这使得我们能够使用比以往更多的感官资源来解释我们触摸的是什么。”

　　最后，他们研究的显著发现是，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，这种信息处理通常被认为是由大脑而不是皮肤来完成的。

　　Visell说，机械传递在皮肤中的作用在某些方面类似于内耳在听觉中的作用。1961年，von Bekesy因其展示内耳力学如何促进听觉处理的工作而获得诺贝尔奖。通过将不同频率的声音传播到耳朵的不同感觉受体，它们帮助听觉系统对声音进行编码。团队的工作表明，类似的过程可能会在触觉上产生潜在的影响。

　　研究人员认为，这些发现不仅有助于我们对大脑的理解，还可能为未来截肢者假肢的工程设计提供新的途径，这些假肢可能被赋予类似皮肤的弹性材料，有一天，类似的方法也可以用来改善下一代机器人的触觉感知。

　　自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，传感器专家网一直密切关注疫情进展，根据国家及地方政府的最新调控与安排，为更好的服务相关企业，在疫情期间，传感器专家网免费发布企业相关文章，免费成为传感器专家网认证作者，请点击认证，大家同心协力，抗击疫情，为早日打赢这场防控攻坚战贡献自己的一份力量。