人的觸覺究竟有多靈敏,能感受到單層分子的差別?

2021-01-19 環球科學

人類能夠感受到材料表面單層分子的區別。


人類的觸覺究竟有多敏感?研究人員表示,我們甚至能夠感受到材料表面單層分子的區別。對人類觸覺的這種全新的認識能幫助我們發展具有感官能力的電子皮膚,有真實觸感的假肢以及應用於虛擬實境和增強現實的高端觸覺科技產品。


來源 | 加州大學聖地牙哥分校

翻譯 | 李晶晶

審校 | 王妍琳


我們的觸覺有多敏感?根據UCSD(University of California San Diego,加州大學聖地牙哥分校)的最新研究結果,我們甚至能夠感受到材料表面單層分子的區別。


「人類觸覺的敏感性超乎想像。」UCSD納米工程教授Darren Lipomi 說。Lipomi 是UCSD可穿戴傳感器中心的成員,他與UCSD心理學教授、腦與認知中心負責人V. S. Ramachandran共同領導了這個跨學科合作項目。


人可以輕易分辨很多常見的材料,如玻璃、金屬、木頭和塑料。這是因為它們有不同的質感或者不同的表面溫度。但是,UCSD的研究人員們想知道,如果控制這些宏觀因素,只改變材料最表層的分子的話,人也能通過觸摸進行分辨嗎?如果可以,這又是如何實現的呢?


研究人員表示,這種對人類觸覺的新認識能幫助我們開發具有感官能力的電子皮膚,有真實觸感的假肢以及應用於虛擬實境和增強現實的高端觸覺科技產品。雖然簡單的觸覺技術已經應用於虛擬遊戲控制器的震動包外設和智慧型手機上,「但是製造逼真的觸覺體驗是非常困難的,因為我們還未能完全理解材料和觸覺之間基本的相互作用。」Lipomi補充道。


「現今的科技讓我們能夠看到和聽到正在發生的事情,卻不能切實感受到它們,」 UCSD納米工程博士學生、也是本文第一作者的Cody Carpenter說。「我們使用高端的揚聲器、高像素的電子屏,在視覺和聽覺上都得到了極致體驗,但是我們卻忽略了觸覺。而這項研究的目的,就是彌補這個元素。」




在一篇發表在 Materials Horizons 雜誌上的論文中,UCSD的研究人員們檢驗了被試在手指划過或者輕拍不同材料表面之後能否分辨其區別。該實驗使用的兩種平滑矽晶片只有最表層分子不同,其中一種表面是含大量氧原子的氧化膜,另一種是由氟和碳原子構成的聚四氟乙烯單層膜。二者無法用肉眼區分,而且它們的觸感十分相似,很難加以區別。


研究人員指出,被試者之所以可以察覺出這些表面的不同,是因為一種叫做粘滑摩擦的現象,即當兩個靜止的物體開始相對滑動時,二者間產生的顛簸。手指順玻璃酒杯沿滑動時產生的聲音,門鉸鏈時常發出的尖鳴,以及火車停下時與鐵軌摩擦的聲響都是緣於這種現象。在這個實驗中,因為表層分子的不同,每種表面都有獨特的粘滑頻率。


在一項測試中,研究人員要求15名被試觸摸三種材料的表面,並挑出不一樣的那個,他們的正確率達到71%。


在另一個測試中,研究人員準備了三條不同的矽晶片,每一條都包含一個獨特的信息序列:該序列由8個小塊組成,每一個小塊的表面是氧化物或聚四氟乙烯,它們分別代表0或1。這些序列表示由0和1組成的8位字符串;根據ASCII字母表,每個字符串都對應一個不同的字母。被試者被要求用手指划過一條矽晶片,並判斷哪些小塊是氧化表面,哪些是聚四氟乙烯表面。這個實驗共有11個被試者,其中的10個人都以超過50%的成功率解碼了由二進位編碼的單詞」Lab」。他們解碼每個字母的平均時間是4.5分鐘。


「這個實驗中,人閱讀電子信息的速度可能還達不到每秒一納比特,但它展示了用觸覺的化學通訊替代視覺通訊的可能性。」 Lipomi說。




研究人員還發現,我們可以通過控制手指划過表面的速度和力度來判斷它們的不同。他們用「假手指」模擬了觸覺實驗,這根假手指由有機聚合物構成,通過彈簧和力傳感器相連,它用不同的力度和速度划過各種材料的表面。通過分析數據,研究人員發現在特定的力度和速度下,假手指可以識別出不同表面的區別。「結果表明,想要感受材料表面的微小區別,人類需要具有快速調整力度和滑動速度的能力。」 Lipomi說。


有趣的是,人的皮膚中有成百上千的神經末梢,而研究用的假手指卻沒有,但它依舊成功地獲取了所需信息。這也就說明,除了皮膚中的機械敏感性感受器,韌帶、指關節、手腕、手肘和肩膀同樣可以幫助人們感受細微觸感的差別。


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