Sådan simuleres blødhed

Hvilke faktorer påvirker, hvordan menneskelig berøring opfatter blødhed, som følelsen af ​​at trykke din fingerspids mod en skumfidus, et stykke ler eller en gummikugle? Ved at undersøge dette spørgsmål i detaljer, et team af ingeniører og psykologer ved University of California San Diego opdagede smarte tricks til at designe materialer, der replikerer forskellige niveauer af opfattet blødhed.

Resultaterne giver grundlæggende indsigt i at designe taktile materialer og haptiske grænseflader, der kan genskabe realistiske berøringsfornemmelser, til applikationer såsom elektronisk hud, proteser og medicinsk robotik. Forskere beskriver deres resultater i 30. august -udgaven af Videnskab fremskridt .

"Vi giver en formel til at genskabe et spektrum af blødhed. Ved at gøre det, vi hjælper med at lukke hullet i forståelsen af, hvad det kræver at genskabe nogle aspekter af berøring, "sagde Charles Dhong, som ledede studiet som postdoktor ved UC San Diego og nu er adjunkt i biomedicinsk teknik ved University of Delaware. Dhong arbejdede sammen med Darren Lipomi, en professor i nanoengineering ved UC San Diego og undersøgelsens medsvarende forfatter.

Baseret på resultaterne fra deres eksperimenter, forskerne skabte ligninger, der kan beregne, hvor blødt eller hårdt et materiale vil føles baseret på materialetykkelse, Youngs modul (et mål for et materiales stivhed), og mikropatronede områder. Ligningerne kan også gøre det omvendte og beregne, for eksempel, hvor tykt eller mikromønstret et materiale skal være for at føle et vist niveau af blødhed.

"Det interessante ved dette er, at vi har fundet to nye måder at justere den opfattede blødhed af et objekt på - mikropatterning og ændring af tykkelsen, "Sagde Dhong." Youngs modul er, hvad forskere typisk henvender sig til, hvad der er blødt eller hårdt. Det er en faktor, men nu viser vi, at det kun er en del af ligningen. "

Genskaber blødhed

Forskerne begyndte med at undersøge to parametre, som ingeniører bruger til at måle et materiales opfattede blødhed:indrykningsdybde (hvor dybt en fingerspids presser ind i et materiale) og kontaktområde mellem fingerspidsen og materialet. Normalt, disse parametre ændres begge samtidigt, når en fingerspids presser ind i et objekt. Rør ved et stykke blødt gummi, for eksempel, og kontaktområdet øges, jo dybere en fingerspids trykker ind.

Dhong, Lipomi og kolleger var nysgerrige efter, hvordan indrykningsdybde og kontaktområde uafhængigt påvirker opfattelsen af ​​blødhed. For at besvare dette spørgsmål, de specialfremstillede materialer, der afkoblede de to parametre og derefter testede dem på mennesker.

Forskerne lavede ni forskellige elastomere plader, hver med sit eget unikke forhold mellem indrykningsdybde og kontaktområde. Pladerne var forskellige i mængden af ​​mikropatterning på overfladen, tykkelse og Youngs modul.

Mikropatterning er nøglen til designet. Den består af arrays af hævede mikroskopiske søjler prikket på pladernes overflade. Disse små søjler tillader en fingerspids at trykke dybere uden at ændre kontaktområdet. Dette svarer til at trykke mod metalstifterne på et Pinscreen -legetøj, hvor arrays af stifter glider ind og ud for at gøre et 3-D-indtryk.

"Ved at skabe disse mikropatronede overfladestrukturer, vi producerer diskontinuerlige områder af kontakt, hvor fingeren trykker ind, der er meget mindre end den skygge, den ville kaste på overfladen, "Sagde Lipomi.

Teamet testede pladerne på 15 emner og instruerede dem i at udføre to opgaver. I den første opgave, de præsenterede emner for flere par plader og bad dem identificere den blødere i hvert par. I den anden opgave, forskerne havde forsøgspersoner til at rangere de ni plader fra blødeste til hårdeste.

Samlet set, pladerne, som emner opfattede som blødere, var tykkere, havde lidt eller ingen mikropatteri på overfladen, og havde et lavt Young's modul. I mellemtiden var plader, der føltes hårdere, tyndere, havde mere mikropatterning og et højt Young's modul.

Blødhed:en grundlæggende ingrediens i berøring

Eksperimenter førte også forskerne til en interessant konklusion:opfattelsen af ​​blødhed er en grundlæggende fornemmelse, ikke en kombination af andre fornemmelser.

"Det betyder, at blødhed er en primær ingrediens i den menneskelige berøringssans. Det er ligesom, hvordan vi har RGB til farvedisplays, "Sagde Lipomi." Hvis vi kan finde de andres 'berøringspunkter, 'kan vi kombinere dem til at skabe et hvilket som helst taktilt billede, vi ønsker? Det er de grundlæggende ting, vi gerne vil vide fremover. "

Papiret har titlen:"Indrykningsdybde og kontaktområde for menneskelig opfattelse af blødhed for haptiske grænseflader."