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人的触觉能感受到单层分子的差别?

科技资讯  2017年12月29日 09:46  来源:新浪科技
摘要:我们的触觉有多敏感?根据UCSD(UniversityofCaliforniaSanDiego,加州大学圣地亚哥分校)的最新研究结果,我们甚至能够感受到材料表面单层分子的区别。

人类的触觉究竟有多敏感?可能超出你的想象。

我们的触觉有多敏感?根据UCSD(University of California San Diego,加州大学圣地亚哥分校)的最新研究结果,我们甚至能够感受到材料表面单层分子的区别。

“人类触觉的敏感性超乎想象。”UCSD纳米工程教授Darren Lipomi 说。Lipomi 是UCSD可穿戴传感器中心的成员,他与UCSD心理学教授、脑与认知中心负责人V. S. Ramachandran共同领导了这个跨学科合作项目。

人可以轻易分辨很多常见的材料,如玻璃、金属、木头和塑料。这是因为它们有不同的质感或者不同的表面温度。但是,UCSD的研究人员们想知道,如果控制这些宏观因素,只改变材料最表层的分子的话,人也能通过触摸进行分辨吗?如果可以,这又是如何实现的呢?

研究人员表示,这种对人类触觉的新认识能帮助我们开发具有感官能力的电子皮肤,有真实触感的假肢以及应用于虚拟现实和增强现实的高端触觉科技产品。虽然简单的触觉技术已经应用于虚拟游戏控制器的震动包外设和智能手机上,“但是制造逼真的触觉体验是非常困难的,因为我们还未能完全理解材料和触觉之间基本的相互作用。”Lipomi补充道。

“现今的科技让我们能够看到和听到正在发生的事情,却不能切实感受到它们,” UCSD纳米工程博士学生、也是本文第一作者的Cody Carpenter说。“我们使用高端的扬声器、高像素的电子屏,在视觉和听觉上都得到了极致体验,但是我们却忽略了触觉。而这项研究的目的,就是弥补这个元素。”

超敏感触觉

在一篇发表在 Materials Horizons 杂志上的论文中,UCSD的研究人员们检验了被试在手指划过或者轻拍不同材料表面之后能否分辨其区别。该实验使用的两种平滑硅晶片只有最表层分子不同,其中一种表面是含大量氧原子的氧化膜,另一种是由氟和碳原子构成的聚四氟乙烯单层膜。二者无法用肉眼区分,而且它们的触感十分相似,很难加以区别。

研究人员指出,被试者之所以可以察觉出这些表面的不同,是因为一种叫做粘滑摩擦的现象,即当两个静止的物体开始相对滑动时,二者间产生的颠簸。手指顺玻璃酒杯沿滑动时产生的声音,门铰链时常发出的尖鸣,以及火车停下时与铁轨摩擦的声响都是缘于这种现象。在这个实验中,因为表层分子的不同,每种表面都有独特的粘滑频率。

在一项测试中,研究人员要求15名被试触摸三种材料的表面,并挑出不一样的那个,他们的正确率达到71%。

在另一个测试中,研究人员准备了三条不同的硅晶片,每一条都包含一个独特的信息序列:该序列由8个小块组成,每一个小块的表面是氧化物或聚四氟乙烯,它们分别代表0或1。这些序列表示由0和1组成的8位字符串;根据ASCII字母表,每个字符串都对应一个不同的字母。被试者被要求用手指划过一条硅晶片,并判断哪些小块是氧化表面,哪些是聚四氟乙烯表面。这个实验共有11个被试者,其中的10个人都以超过50%的成功率解码了由二进制编码的单词”Lab”。他们解码每个字母的平均时间是4.5分钟。

“这个实验中,人阅读电子信息的速度可能还达不到每秒一纳比特,但它展示了用触觉的化学通讯替代视觉通讯的可能性。” Lipomi说。

触觉的基本模型

研究人员还发现,我们可以通过控制手指划过表面的速度和力度来判断它们的不同。他们用“假手指”模拟了触觉实验,这根假手指由有机聚合物构成,通过弹簧和力传感器相连,它用不同的力度和速度划过各种材料的表面。通过分析数据,研究人员发现在特定的力度和速度下,假手指可以识别出不同表面的区别。“结果表明,想要感受材料表面的微小区别,人类需要具有快速调整力度和滑动速度的能力。” Lipomi说。

有趣的是,人的皮肤中有成百上千的神经末梢,而研究用的假手指却没有,但它依旧成功地获取了所需信息。这也就说明,除了皮肤中的机械敏感性感受器,韧带、指关节、手腕、手肘和肩膀同样可以帮助人们感受细微触感的差别。

翻译 李晶晶

审校 王妍琳

原文链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171213095532.htm?utm_source=dlvr.it&utm_medium=facebook