通过皮肤生物力学来执行有效的触觉计算

（文章来源：教育新闻网）

作为人体最大和最突出的器官，皮肤也为我们与周围世界提供了最基本的联系之一。从我们出生的那一刻起，它就与我们进行的每一次身体互动都息息相关。尽管科学家们对触摸或触觉的研究已经有一个多世纪了，但其工作方式的许多方面仍然是个谜。

加州大学圣塔芭芭拉分校触觉研究员Yon Visell表示：“触摸感尚未得到充分理解，即使它是我们与世界互动的能力的核心。”“我们用手做的任何事情-拿起杯子，在名字上签名或在包里寻找钥匙-如果没有触觉，这都是不可能的。但是，我们还没有完全理解被捕捉到的感觉的本质。皮肤或其处理方式，以实现感知和行动。”

他补充说，我们对于其他感觉(例如视觉和听觉)的工作方式有更好的模型，但是我们对触摸感如何工作的理解还不完整。

为了填补这一空白，Visell和他的研究团队，包括Yitian Shao和Sorbonne的合作者Vincent Hayward，一直在研究触摸感觉的物理原理-触摸物体如何在皮肤中产生影响我们感觉的信号。在发表在《科学进展》杂志上的一项研究(链接)中，该小组揭示了皮肤的固有弹性如何帮助触觉感知。值得注意的是，它们表明，皮肤不仅是一种简单的传感材料，而且还可以帮助处理触觉信息。

为了理解触摸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：“人类视觉依靠眼睛的光学器件将光线聚焦到视网膜上的图像中。”“视网膜包含光敏受体，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，Visell继续说道。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。在以前的工作的基础上，该工作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，在这里，研究人员采用了类似的方法来捕获振动的空间模式。当手感觉到环境时产生。

主要作者邵说：“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。”“然后我们要求实验中的每个参与者都用双手进行许多不同的触摸交互。”该研究小组收集了近5000种此类相互作用的数据集，并对这些数据进行了分析，以解释在触觉信号中整个手形信息内容中如何传递触摸产生的振动模式。振动模式是由皮肤内部的弹性耦合引起的。

然后，研究小组分析了这些模式，以阐明触觉信号中手形信息中振动的传递方式。“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，”邵说。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。

这项分析产生了十几个或更少的原始波型-整个手部皮肤的振动，可用于捕获手感触信号中的信息。维塞尔说，这些原始振动模式的显着特征是它们会自动反映手的结构以及皮肤中波的传播物理原理。

他解释说：“弹性在皮肤中起着非常基本的作用，即使在很小的皮肤区域发生接触时，皮肤也会与成千上万的感觉受体相接触。”“这使我们可以使用更多的感官资源，而无法解释我们正在触摸的东西。”维塞尔说，他们研究的非凡发现是，这一过程还使得可以更有效地捕获触觉信号中的信息。通常认为这种信息处理是由大脑而不是皮肤进行的。

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，冯·贝克斯(von Bekesy)的研究表明内耳的力学如何促进听觉处理，从而获得了诺贝尔奖。通过将具有不同频率含量的声音传播到耳朵中的不同感觉感受器，它们有助于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。

据研究人员称，这些发现不仅有助于我们对大脑的了解，而且还可能为被截肢者未来假肢的工程化提出了新的方法，这些假肢可能被赋予了类似皮肤的弹性材料。有一天类似的方法也可能被下一代机器人用来改善触觉。
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