作為人體最大和最突出的器官，皮膚也為我們與周圍世界提供了最基本的聯(lián)系之一。從我們出生的那一刻起，它就與我們進(jìn)行的每一次身體互動(dòng)都息息相關(guān)。

盡管科學(xué)家們對(duì)觸摸或觸覺的研究已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)了，但其工作方式的許多方面仍然是個(gè)謎。

加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校觸覺研究員Yon Visell表示：“觸摸感尚未得到充分理解，即使它是我們與世界互動(dòng)的能力的核心。”“我們用手做的任何事情-拿起杯子，在名字上簽名或在包里尋找鑰匙-如果沒有觸覺，這都是不可能的。但是，我們還沒有完全理解被捕捉到的感覺的本質(zhì)。皮膚或其處理方式，以實(shí)現(xiàn)感知和行動(dòng)。”

他補(bǔ)充說，我們對(duì)于其他感覺(例如視覺和聽覺)的工作方式有更好的模型，但是我們對(duì)觸摸感如何工作的理解還不完整。

為了填補(bǔ)這一空白，Visell和他的研究團(tuán)隊(duì)，包括Yitian Shao和Sorbonne的合作者Vincent Hayward，一直在研究觸摸感覺的物理原理-觸摸物體如何在皮膚中產(chǎn)生影響我們感覺的信號(hào)。在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究(鏈接)中，該小組揭示了皮膚的固有彈性如何幫助觸覺感知。值得注意的是，它們表明，皮膚不僅是一種簡(jiǎn)單的傳感材料，而且還可以幫助處理觸覺信息。

為了理解觸摸的這一重要但鮮為人知的方面，Visell認(rèn)為思考一下眼睛(即我們的視覺器官)如何處理光學(xué)信息會(huì)有所幫助。

他說：“人類視覺依靠眼睛的光學(xué)器件將光線聚焦到視網(wǎng)膜上的圖像中。”“視網(wǎng)膜包含光敏受體，這些受體將圖像轉(zhuǎn)換成信息，我們的大腦會(huì)使用這些信息來分解和解釋我們所看的東西。”

當(dāng)我們用皮膚接觸表面時(shí)，類似的過程就會(huì)展開，Visell繼續(xù)說道。類似于角膜和虹膜等結(jié)構(gòu)將光線捕獲并聚焦到視網(wǎng)膜上，皮膚的彈性將觸覺信號(hào)分配到整個(gè)皮膚的感覺受體。

在以前的工作的基礎(chǔ)上，該工作使用戴在手上的微型加速度計(jì)陣列來感測(cè)和分類由敲擊，滑動(dòng)或抓握等動(dòng)作產(chǎn)生的振動(dòng)的空間模式，在這里，研究人員采用了類似的方法來捕獲振動(dòng)的空間模式。當(dāng)手感覺到環(huán)境時(shí)產(chǎn)生。

主要作者邵說：“我們使用了一個(gè)由30個(gè)三軸傳感器組成的定制設(shè)備，這些傳感器輕輕地粘在皮膚上。”“然后我們要求實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)參與者都用雙手進(jìn)行許多不同的觸摸交互。”該研究小組收集了近5000種此類相互作用的數(shù)據(jù)集，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，以解釋在觸覺信號(hào)中整個(gè)手形信息內(nèi)容中如何傳遞觸摸產(chǎn)生的振動(dòng)模式。振動(dòng)模式是由皮膚內(nèi)部的彈性耦合引起的。

然后，研究小組分析了這些模式，以闡明觸覺信號(hào)中手形信息中振動(dòng)的傳遞方式。“我們使用了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，其中整個(gè)手部感覺到的高維信號(hào)被表示為少量原始模式的組合，”邵說。原始模式提供了一個(gè)緊湊的詞典或字典，可以壓縮信號(hào)中信息的大小，從而可以更有效地對(duì)其進(jìn)行編碼。

這項(xiàng)分析產(chǎn)生了十幾個(gè)或更少的原始波型-整個(gè)手部皮膚的振動(dòng)，可用于捕獲手感觸信號(hào)中的信息。維塞爾說，這些原始振動(dòng)模式的顯著特征是它們會(huì)自動(dòng)反映手的結(jié)構(gòu)以及皮膚中波的傳播物理原理。

他解釋說：“彈性在皮膚中起著非常基本的作用，即使在很小的皮膚區(qū)域發(fā)生接觸時(shí)，皮膚也會(huì)與成千上萬的感覺受體相接觸。”“這使我們可以使用更多的感官資源，而無法解釋我們正在觸摸的東西。”維塞爾說，他們研究的非凡發(fā)現(xiàn)是，這一過程還使得可以更有效地捕獲觸覺信號(hào)中的信息。通常認(rèn)為這種信息處理是由大腦而不是皮膚進(jìn)行的。

Visell說，機(jī)械傳遞在皮膚中的作用在某些方面類似于內(nèi)耳在聽覺中的作用。1961年，馮·貝克斯(von Bekesy)的研究表明內(nèi)耳的力學(xué)如何促進(jìn)聽覺處理，從而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。通過將具有不同頻率含量的聲音傳播到耳朵中的不同感覺感受器，它們有助于聽覺系統(tǒng)對(duì)聲音進(jìn)行編碼。團(tuán)隊(duì)的工作表明，類似的過程可能會(huì)在觸覺上產(chǎn)生潛在的影響。

據(jù)研究人員稱，這些發(fā)現(xiàn)不僅有助于我們對(duì)大腦的了解，而且還可能為被截肢者未來假肢的工程化提出了新的方法，這些假肢可能被賦予了類似皮膚的彈性材料。有一天類似的方法也可能被下一代機(jī)器人用來改善觸覺。