«Это величайшая тактильная чувствительность, которая когда-либо проявлялась у людей», — сказал Даррен Липоми, профессор наноинженерии и член Центра носимых датчиков инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс, который руководил междисциплинарным проектом с В.С. Рамачандраном. , директор Центра мозга и познания и заслуженный профессор кафедры психологии Калифорнийского университета в Сан-Диего.Люди могут легко почувствовать разницу между многими повседневными поверхностями, такими как стекло, металл, дерево и пластик.
Это потому, что эти поверхности имеют разную текстуру или отводят тепло от пальца с разной скоростью. Но исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего задались вопросом: если бы они сохранили все эти крупномасштабные эффекты одинаковыми и изменили только самый верхний слой молекул, могли бы люди по-прежнему обнаруживать разницу, используя свое осязание? И если да, то как?Исследователи говорят, что эти фундаментальные знания будут полезны для разработки электронной кожи, протезирования, которое может чувствовать, передовых тактильных технологий для виртуальной и дополненной реальности и многого другого.
По словам Липоми, нехитрые тактильные технологии существуют в виде вибропакетов в контроллерах видеоигр или смартфонах, которые трясутся. «Но воспроизвести реалистичные тактильные ощущения сложно, потому что мы еще не полностью понимаем основные способы взаимодействия материалов с осязанием».«Современные технологии позволяют нам видеть и слышать, что происходит, но мы не можем этого почувствовать», — сказал Коди Карпентер, доктор философии по наноинженерии. студент Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования. «У нас есть ультрасовременные динамики, телефоны и экраны с высоким разрешением, которые визуально и слышно привлекательны, но чего не хватает, так это чувства осязания.
Добавление этого ингредиента является движущей силой этой работы».Это первое исследование, объединяющее материаловедение и психофизику, чтобы понять, как люди воспринимают прикосновения. "Рецепторы, обрабатывающие ощущения от нашей кожи, филогенетически самые древние, но они далеки от примитивности, у них было время развить необычайно тонкие стратегии распознавания поверхностей — будь то ласка любовника или щекотка, или грубое тактильное ощущение металла, дерева, бумаги. и т. д. Это исследование является одним из первых, демонстрирующих диапазон изощренности и исключительной чувствительности тактильных ощущений. Возможно, оно открывает путь для совершенно нового подхода к тактильной психофизике », — сказал Рамачандран.Сверхчувствительное прикосновение
В статье, опубликованной в журнале Materials Horizons, исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего проверили, могут ли люди различать — перетаскивая или постукивая пальцем по поверхности — гладкие кремниевые пластины, которые различаются только одним верхним слоем молекул. Одна поверхность представляла собой единственный окисленный слой, состоящий в основном из атомов кислорода.
Другой был одинарным тефлоновым слоем, состоящим из атомов фтора и углерода. Обе поверхности выглядели одинаково и казались достаточно похожими, чтобы некоторые испытуемые вообще не могли их различить.По словам исследователей, люди могут чувствовать эти различия из-за явления, известного как трение прерывистого скольжения, которое представляет собой рывковое движение, которое происходит, когда два объекта в состоянии покоя начинают скользить друг относительно друга. Это явление отвечает за музыкальные ноты, воспроизводимые при движении мокрым пальцем по краю бокала, звук скрипящей дверной петли или шум останавливающегося поезда.
В этом случае каждая поверхность имеет различную частоту прерывистого скольжения из-за идентичности молекул в самом верхнем слое.В одном тесте 15 испытуемым было предложено ощупать три поверхности и определить одну поверхность, которая отличается от двух других. Испытуемые правильно определили различия в 71% случаев.
В другом тесте испытуемым дали три разные полоски кремниевой пластины, каждая из которых содержит различную последовательность из 8 участков окисленных и тефлоноподобных поверхностей. Каждая последовательность представляет собой 8-значную строку нулей и единиц, которая закодирована для определенной буквы в алфавите ASCII. Испытуемых просили «прочитать» эти последовательности, проведя пальцем от одного конца полоски к другому и отмечая, какие участки последовательности были окисленными поверхностями, а какие — тефлоноподобными поверхностями. В этом эксперименте 10 из 11 испытуемых декодировали биты, необходимые для написания слова «Лаборатория» (с правильными прописными и строчными буквами) более чем в 50% случаев.
На расшифровку каждой буквы испытуемые тратили в среднем 4,5 минуты.«Человек может быть медленнее, чем нанобит в секунду, с точки зрения чтения цифровой информации, но этот эксперимент показывает потенциально изящный способ химической коммуникации с использованием нашего осязания вместо зрения», — сказал Липоми.Базовая модель касания
Исследователи также обнаружили, что эти поверхности можно различать в зависимости от того, как быстро палец тянется и какое усилие он прилагает к поверхности. Исследователи смоделировали сенсорные эксперименты, используя «имитацию пальца», устройство, похожее на палец, сделанное из органического полимера, которое пружиной соединено с датчиком силы. Имитация пальца проводилась по разным поверхностям, используя несколько комбинаций силы и скорости движения. Исследователи построили график данных и обнаружили, что поверхности можно различить при определенных комбинациях скорости и силы.
Между тем, другие комбинации сделали поверхности неотличимыми друг от друга.«Наши результаты показывают замечательную человеческую способность быстро определять правильные комбинации сил и скорости движения, необходимые, чтобы почувствовать разницу между этими поверхностями. Им не нужно восстанавливать всю матрицу точек данных одну за другой, как мы это делали в наши эксперименты ", — сказал Липоми.«Также интересно, что устройство имитирующего пальца, которое не имеет ничего похожего на сотни нервов в нашей коже, имеет только один датчик силы и все еще может получать информацию, необходимую для того, чтобы почувствовать разницу в этих поверхностях.
Это говорит нам «Это не только механорецепторы в коже, но и рецепторы в связках, суставах, запястье, локте и плече, которые могут позволить людям ощущать мельчайшие различия с помощью прикосновения», — добавил он.