皮膚是我們身體最大、最重要的器官，也是我們與周圍世界最基本的聯繫之一。從我們出生的那一刻起，它就與我們所有的身體互動密切相關。儘管一個多世紀以來，科學家們一直在研究觸覺，或稱觸覺學，但它如何工作的許多方面仍然是一個謎。
加州大學聖巴巴拉分校觸覺學研究員Yon Visell說：“儘管觸覺是我們與世界互動能力的核心，但其機制並沒有被完全理解。”“我們用手做的任何事情——拿起杯子，簽上名字，或者在包裡找到鑰匙——如果沒有觸覺，這些都是不可能的。”然而，我們還不完全瞭解皮膚捕捉到的感覺的本質，也不完全瞭解為了感知和行動，這些感覺是如何被處理的。”
- 他補充說：我們有更好的模型來解釋我們的其他感官，如視覺和聽覺，是如何工作的，但是我們對觸覺工作的理解還遠遠不夠完整。
- 為了填補這一空白，Visell和他的研究團隊，包括Yitian Shao和巴黎索邦大學的合作者Vincent Hayward，一直在研究觸覺的形成機制——觸摸一個物體如何在皮膚中產生信號，從而形成我們的感覺。
- 在發表在《科學進展》雜誌上的一項研究中，研究小組揭示了皮膚固有的彈性是如何幫助觸覺感知的。值得注意的是，它們表明，皮膚遠非一種簡單的傳感材料，它還可以幫助處理觸覺信息。
- 為了理解觸摸這個重要但卻鮮為人知的方面，Visell首先從視覺形成機制去理解這個問題，他說:“人類的視覺依靠眼睛的光學將光線聚焦到視網膜上的圖像上。”“視網膜含有感光感受器，可以將圖像轉換成大腦用來分解和解釋我們所看到的信息。”
- 當我們用皮膚接觸表面時，一個類似的過程就會展開。與角膜和虹膜等結構類似，皮膚的彈性將觸覺信號分佈到整個皮膚的感覺感受器。
研究人員使用了一個定製的設備，由30個三軸傳感器組成，輕輕地粘在皮膚上，然後要求實驗中的每個參與者用他們的手進行許多不同的觸摸互動。他們共收集了近5000個這樣的交互數據，並分析了這些數據，以解釋觸摸產生的振動模式是如何通過觸覺信號傳遞手部形狀的信息內容的。
- 隨後，研究小組對這些模式進行了分析，以弄清振動是如何通過觸覺信號傳遞到手形信息的。他們解釋說：“我們使用了一個數學模型，在這個模型中，整個手部的高維信號被表示為少量原始模式的組合。”原始模式壓縮了信號中的信息大小，使它們能夠更有效地編碼。
- 這種分析產生了十幾種或更少的原始波模式——手部皮膚的振動，可以用來捕捉手部感受到的觸覺信號中的信息。Visell說，這些原始的振動模式的顯著特徵是，它們自動反映了手部結構和皮膚中波傳播的物理機制。
Visell解釋說:“彈性在皮膚中起著非常基本的作用，它使皮膚中的數千個感覺感受器相互接觸，即使接觸只發生在很小的皮膚區域。”“這使得我們可以利用更多的感官資源來解讀我們所觸碰的東西。”這個研究有一個引人注目的發現，那就是這個過程也使得更有效地捕捉觸覺信號中的信息成為可能。這種信息處理通常被認為是由大腦來完成的，而不是皮膚。
- Visell說，機械傳動在皮膚中所起的作用在某些方面與內耳在聽力中的作用相似。1961年，馮·貝克西因其在內耳機制如何促進聽覺處理方面的研究而獲得諾貝爾獎。通過將不同頻率的聲音傳播到耳朵中不同的感覺感受器，它們幫助聽覺系統對聲音進行編碼。研究小組的工作表明，類似的過程可能是觸覺的基礎。
研究人員稱，這些發現不僅有助於我們對大腦的理解，還可能為未來截肢者的假肢設計提供新的方法，這些假肢可能會被賦予類似皮膚的彈性材料。類似的方法也可能在未來的某一天被用於改善下一代機器人的觸覺感知。
參考文獻
Yitian Shao, Vincent Hayward, Yon Visell. Compression of dynamic tactile information in the human hand. Science Advances, 2020; 6 (16): eaaz1158 DOI: 10.1126/sciadv.aaz1158
分享到:
