Haptics -forskere finder ud af, at hudens biomekanik kan udføre nyttige taktile beregninger

Som vores krops største og mest fremtrædende organ, huden giver også en af ​​vores mest fundamentale forbindelser til verden omkring os. Fra det øjeblik vi blev født, det er intimt involveret i enhver fysisk interaktion, vi har.

Selvom forskere har undersøgt følesansen, eller haptik, i mere end et århundrede, mange aspekter af, hvordan det fungerer, forbliver et mysterium.

"Berøringsfølelsen er ikke fuldt ud forstået, selvom det er kernen i vores evne til at interagere med verden, "sagde UC Santa Barbara haptikforsker Yon Visell." Alt, hvad vi gør med vores hænder - tager et glas, underskrive vores navn eller finde nøgler i vores taske - intet af det er muligt uden følesansen. Alligevel forstår vi ikke fuldstændigt arten af ​​de fornemmelser, der fanges af huden, eller hvordan de behandles for at muliggøre opfattelse og handling. "

Vi har bedre modeller for, hvordan vores andre sanser, såsom syn og hørelse, arbejde, men vores forståelse af, hvordan følesansen virker, er meget mindre komplet, han tilføjede.

For at hjælpe med at udfylde det hul, Visell og hans forskerhold, herunder Yitian Shao og samarbejdspartner Vincent Hayward ved Sorbonne, har studeret fysikken i berøringsfornemmelse - hvordan berøring af et objekt giver anledning til signaler i huden, der former, hvad vi føler. I en undersøgelse (link) offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt , gruppen afslører, hvordan hudens iboende elasticitet hjælper taktil sansning. Bemærkelsesværdigt, de viser, at det langt fra er et simpelt sansemateriale, huden kan også hjælpe med behandlingen af ​​taktile oplysninger.

For at forstå dette betydningsfulde, men lidt kendte aspekt af berøring, Visell synes, det er nyttigt at tænke over, hvordan øjet, vores visuelle organ, behandler optisk information.

"Menneskesyn er afhængig af øjets optik for at fokusere lys ind i et billede på nethinden, "sagde han." Nethinden indeholder lysfølsomme receptorer, der oversætter dette billede til information, som vores hjerne bruger til at nedbryde og fortolke, hvad vi ser på. "

En analog proces udspiller sig, når vi rører en overflade med vores hud, Fortsatte Visell. Ligner strukturer som hornhinden og iris, der fanger og fokuserer lys på nethinden, hudens elasticitet distribuerer taktile signaler til sensoriske receptorer i hele huden.

Bygger på tidligere arbejde, der brugte en række små accelerometre, der blev brugt på hånden, til at registrere og katalogisere de rumlige vibrationsmønstre, der genereres af handlinger som f.eks. glide eller gribe, forskerne her anvendte en lignende tilgang til at fange rumlige vibrationsmønstre, der genereres, når hånden mærker miljøet.

"Vi brugte en brugerdefineret enhed bestående af 30 tre-aksede sensorer, der forsigtigt er bundet til huden, "forklarede hovedforfatter Shao." Og så bad vi hver deltager i vores eksperimenter om at udføre mange forskellige berøringsinteraktioner med deres hænder. "Forskningsholdet indsamlede et datasæt med næsten 5000 sådanne interaktioner, og analyserede disse data for at fortolke, hvordan transmissionen af ​​berøringsproducerede vibrationsmønstre, der blev transmitteret gennem det håndformede informationsindhold i de taktile signaler. Vibrationsmønstrene opstod fra den elastiske kobling i selve huden.

Holdet analyserede derefter disse mønstre for at tydeliggøre, hvordan transmissionen af ​​vibrationer i hånden formede information i de taktile signaler. "Vi brugte en matematisk model, hvor højdimensionelle signaler, der føltes i hele hånden, blev repræsenteret som kombinationer af et lille antal primitive mønstre, "Forklarede Shao. De primitive mønstre gav et kompakt leksikon, eller ordbog, der komprimerede størrelsen af ​​informationen i signalerne, gør dem i stand til at blive kodet mere effektivt.

Denne analyse genererede et dusin eller færre primitive bølgemønstre - vibrationer i huden i hele hånden, der kunne bruges til at fange information i de taktile signaler, hånden følte. Det slående træk ved disse primitive vibrationsmønstre, Visell sagde, er, at de automatisk afspejler håndens struktur og bølgetransmissionens fysik i huden.

"Elasticitet spiller denne helt grundlæggende funktion i huden med at engagere tusinder af sensoriske receptorer for berøring i huden, selv når der opstår kontakt på et lille hudområde, "forklarede han." Dette giver os mulighed for at bruge langt flere sanseressourcer, end der ellers ville være til rådighed til at fortolke, hvad det er, vi rører ved. "Det bemærkelsesværdige fund ved deres forskning er, at denne proces også gør det muligt mere effektivt at fange information i de taktile signaler, Sagde Visell. Informationsbehandling af denne art anses normalt for at blive udført af hjernen, frem for huden.

Den rolle, som mekanisk transmission i huden spiller, ligner i nogle henseender rollen som det indre øres mekanik i hørelsen, Sagde Visell. I 1961, von Bekesy modtog Nobelprisen for sit arbejde, der viser, hvordan mekanikken i det indre øre letter auditiv behandling. Ved at sprede lyde med forskelligt frekvensindhold til forskellige sensoriske receptorer i øret hjælper de til lydkodning af lydsystemet. Teamets arbejde tyder på, at lignende processer kan ligge til grund for følesansen.

Disse fund, ifølge forskerne, bidrager ikke kun til vores forståelse af hjernen, men kan også foreslå nye metoder til konstruktion af fremtidige proteser til amputerede, der kan være udstyret med hudlignende elastiske materialer. Lignende metoder kunne også en dag bruges til at forbedre taktil sansning af næste generations robotter.