觸覺研究將改變我們的生活

早上起床后，研究觸覺反饋的機械工程師杰里米·布朗常常要吃一個鱷梨（也就是我們常見的牛油果）。他會先輕按一下，給它一點擠壓力，但用力不會太大。成熟的鱷梨會屈服于這種壓力，略微下陷一點。布朗還會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：“我無法想象，假如沒有觸覺，像判斷鱷梨成熟度這樣簡單的事，我們?nèi)绾尾拍軌蜃龅剑俊?/p>

傳染病大流行期間，我們對于觸覺接觸比平時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)購物的激增也意味著人們有意識地減少在商場挑選時與物品直接接觸的機會。

我們觸摸任何東西的感知體驗，都是大腦中數(shù)千條神經(jīng)纖維和數(shù)百萬個神經(jīng)元活動的產(chǎn)物。身體的自然觸感非常復(fù)雜，神經(jīng)感受器通過檢測壓力、形狀、運動、質(zhì)地、溫度等信息，引發(fā)多種模式的神經(jīng)活動，中樞神經(jīng)系統(tǒng)負責(zé)進行解釋，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，是移動的還是靜止的……

假如沒有觸覺，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，都是大腦中數(shù)千條神經(jīng)纖維和數(shù)百萬個神經(jīng)元活動的產(chǎn)物

神經(jīng)科學(xué)是觸覺研究的核心，但布朗和其他機械工程師，以及數(shù)學(xué)和材料科學(xué)方面的專家，也在研究觸覺，并打算將其轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。他們希望通過觸覺研究可以改進一些現(xiàn)有技術(shù)，或開發(fā)出模擬觸覺感覺的新技術(shù)。

科學(xué)家和工程師通過對人體神經(jīng)系統(tǒng)對觸摸刺激反應(yīng)的更多了解，開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)送和接收模擬觸覺的方式，這些極具挑戰(zhàn)性的研究正在取得進展。在不久的未來，失去肢體的人將有可能通過安裝假肢恢復(fù)一些觸覺，在更遠的未來，觸覺研究將開發(fā)出更多新科技，如增加網(wǎng)上購物的觸感，創(chuàng)建遠程醫(yī)療的新形式，拓展虛擬現(xiàn)實世界的新體驗等。

觸覺研究模仿和重現(xiàn)真實觸感

現(xiàn)有技術(shù)讓人們可以在虛擬現(xiàn)實中體驗在國際空間站漫步，或在天然氣井周圍行進的感受。為了讓觸覺也成為這種體驗的一部分，研究人員正在對觸發(fā)觸覺的信號進行研究。

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

每當(dāng)你與某個物體互動接觸時，你的皮膚就會輕微變形，或者被輕輕擠壓：用手指輕按盲文字母凸起的圓點，這些圓點會輕戳你的皮膚；用手指摩擦織物，這個動作會產(chǎn)生難以覺察的輕微震感。

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

一種叫作“帕西尼氏”小體的受體位于皮膚深處，它們擅長探測與不同紋理交互作用時產(chǎn)生的振動。受到觸摸刺激，受體會發(fā)出一系列信號傳遞到大腦，大腦將這些信號解釋為接觸到某種特殊的結(jié)構(gòu)。這就好比我們通過聽覺來識別音符和曲子一樣。

手指對溫度的感覺

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

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

觸摸每一種材質(zhì)（如燈芯絨、針織面料、牛仔面料等）都會產(chǎn)生一組不同的振動模式，這些不同質(zhì)地的材料在皮膚上產(chǎn)生的振動模式是可測量的。這種測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)生的振動波為一種接觸界面彈性波，猶如水波，稱為“瑞利波”。只不過這種接觸產(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)出了哺乳動物觸覺的“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)。達到這個比例或更高比例時，人類與大多數(shù)其他哺乳動物就可以感受到這種觸覺感知。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)哺乳動物物種中，觸發(fā)帕西尼氏受體感覺的皮膚位移量的波長是相同的，但不同物種需要或多或少的力來引起皮膚位移，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地捕捉觸覺體驗，并將這種觸感信息以數(shù)字化形式發(fā)送到任何地方”，然后人們可以通過某種裝置或利用超聲波來體驗這種觸感。有朝一日，這項研究或可有助于提供更廣泛的虛擬現(xiàn)實體驗，包括虛擬擁抱。

在線觸覺購物提升數(shù)字生活品質(zhì)

機械工程師希普韋爾在網(wǎng)上瀏覽了各種沙發(fā)，而因為無法感覺到沙發(fā)面料的質(zhì)地，她最后還是沒買。

隨著研究深入，可以預(yù)料，未來在線上購物，你也可以利用觸覺來感知布料。網(wǎng)頁的計算機代碼可讓屏幕上的某個區(qū)域模仿不同的紋理，也許是通過電荷變化、振動信號、超聲波或其他方法。觸摸屏幕可以讓你通過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。

但在實現(xiàn)這一切之前，我們首先需要理解對屏幕觸覺感知產(chǎn)生影響的幾個條件。

可以預(yù)料，未來在線上購物，你也可以利用觸覺來感知布料

科學(xué)家認為，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，我們可能意識不到空氣是否潮濕，但水分的微小變化卻可以改變手指在屏幕上移動時的摩擦力，這種摩擦力足以影響我們對屏幕紋理的感知。

電荷變化也會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”，它也會影響我們觸摸屏幕時的觸覺體驗。希普韋爾的團隊開發(fā)的計算機模型解釋了靜電吸附力、水分和皮膚對玻璃的擠壓變形影響之間的關(guān)系。

希普韋爾希望，這個模型能幫助產(chǎn)品設(shè)計師開發(fā)超越現(xiàn)有網(wǎng)上購物體驗的觸覺觸摸屏。例如，網(wǎng)上購物者可以通過觸摸屏幕感知布料質(zhì)地，未來汽車駕駛員也可以輕按儀表盤的觸摸屏來改變車內(nèi)溫度或收音機設(shè)置。

觸感皮膚貼片促進遠程醫(yī)療開展

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，增加了觸覺反饋功能的遠程醫(yī)療將造福更多患者，特別是給那些缺少醫(yī)生的偏遠地區(qū)的病人帶來極大方便。

未來家庭、藥店或工作場所的遙感設(shè)備、機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)生就可以通過轉(zhuǎn)發(fā)過來的電子信息，體驗觸摸診病的真實感覺。

研究人員正在開始研究能夠?qū)⒂|覺反饋在數(shù)字信息和真實觸感之間進行轉(zhuǎn)換的材料，同樣的材料也可以在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中用來傳遞信息。有科學(xué)家正在開發(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，其他層包括一個可伸縮的電路板和極微小的執(zhí)行器。電流在周圍流動時會產(chǎn)生振動，通過無線信號控制執(zhí)行器的打開或關(guān)閉，運行貼片的能量也來自無線信號。

未來借助傳感器設(shè)備可以遠程醫(yī)療

研究人員已對貼片做了進一步改進，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，已開發(fā)出可以同時作用于身體不同部位的多種貼片。

研究團隊希望將該項技術(shù)應(yīng)用于消費者擁有的其他電子產(chǎn)品，如智能手機。為此，他們開發(fā)了一種壓力敏感的觸摸屏界面，通過在智能手機或電腦觸摸屏上移動手指來提供觸感信息，佩戴貼片的人可感覺到撫摸、敲擊等觸感。

觸覺反饋系統(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的方法，其他研究人員也在測試如何給假肢增加觸覺反饋。壓力和運動反饋信息可以幫助用假肢行走的人更有信心，同時減輕患肢疼痛。

機械工程師布朗希望可以通過觸覺反饋來幫助人們控制假肢的力量。他認為，正常人會本能地調(diào)整手的力量。例如，當(dāng)他在停車場牽著女兒小手的時候，如果她想抽離，他就會不由自主地輕抓她的手，但如果他沒有正常的觸感，控制不好力度，就會很容易傷到女兒。

在手腕附近綁上一個裝置

在一項研究中，布朗的研究小組測試了兩種增加電子肢體對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裝置。研究人員利用健康志愿者對這兩種裝置進行測試。

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)反饋的強度來控制好施加的力，這項研究為改善肌肉控制的電子肢體提供了新的途徑。

一些研究人員也開展了相關(guān)研究：仿生手拇指上的觸覺傳感器發(fā)出信號，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行了測試，當(dāng)仿生手拇指被戳碰時，他們都感覺到了觸感，但觸感好像來自手的其他地方。這是因為，雖然研究人員可以選擇電極刺激某根神經(jīng)，但他們不知道會對神經(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有得到改善，大腦不能對這種情況進行修正。

盡管如此，使用這種有觸感仿生手的人在抓取物體時對假肢有更好的控制精度和控制力度。參加測試的志愿者說，有觸覺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傳感器發(fā)出信號，傳遞到植入手臂尺骨神經(jīng)周圍的電極

仿生手研究表明，觸覺技術(shù)的進步可能不會一開始就非常完美。事實上，虛擬擁抱和其他模擬觸摸體驗可能永遠比不上真實的體驗，但觸覺反饋研究可以幫助我們在未來用一種新的方式去探索世界，通過模擬真實的觸感，與我們的親朋好友保持更密切的聯(lián)系。

觸感的普遍性

通過對觸摸物體時沿皮膚移動的瑞利波（即表面波，固體物表面的運動波）的長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)，除了嚙齒動物外，在幾種哺乳動物中，皮膚中相同的變形量可產(chǎn)生類似的感覺。