振动触觉的研究现状及其应用

雷呈祥,丁江舟,司高潮,曹 文

振动触觉的研究现状及其应用

雷呈祥,丁江舟,司高潮,曹 文

触觉;振动信号;空间定向;信息

人和动物有多种途径获取外部信息[1],其中重要的是感觉系统,主要包括视觉、听觉、触觉、压觉和振动觉等,感知信号各自传回大脑,在大脑进行加工融合以判断外界情况。在实际生活中,一种感觉的衰退并不会导致人们认识和了解世界能力的丧失,比如盲人的触觉和听觉就比常人发达。因此,可利用这个特点,通过多途径了解和获取信息,以减轻个别感官的负担,甚至避免错误信息的产生。

1 触觉与振动触觉

触觉(haptic,tactile sense)是生物体与外界环境直接接触时的重要感觉功能,是对接触、滑动、压力等机械刺激的反应,是通过接触刺激作用于触觉感受器而引起的。触觉是动物所具有的原始感觉,其产生是生命进化过程中的重要事件,它使得生物可以感觉到外界情况,从而去适应现状、规避风险。触觉可诱发动物身体收缩、蜷曲、无定位运动等各种防御反应或者向刺激部位作出回应性反击反应。多数动物的触觉器是遍布全身的,像人的皮肤位于人的体表,依靠表皮的游离神经末梢能感受温度等。作为皮肤感觉的人的触觉感受器有 4种触觉小体和毛根的游离神经末梢 (触须)。

与触觉类似的是压觉 (piesesthesia,pressure sense)和振动觉(pallesthesia,sense of vibration)。压觉是感受适宜刺激的外力持续作用的或强力的可达到比较深层的感觉。振动觉则是感受振动刺激的感觉,对于人体来讲可感受到小于1000 Hz的重复压刺激。若以神经放电的记录作明确的区分时,对持续性刺激神经放电称为压觉,而非持续性的少量放电则称为触觉。压觉放电的适应慢,触觉适应快。振动觉则介于两者之间,也有一些学者将振动觉归为触觉,因此又称为振动触觉 (vibrotactile)。

振动觉与触觉关系密切,是动物重要的定位手段,例如除掉触须的猫和鼠就会导致定位困难,行为莽撞。在动物界还可观察到以触觉感受器和特别的振动觉器官为媒介的振动觉发达的情况,特别是某些低等动物,振动觉与触觉一起成为决定其行为的重要感觉之一。主要以触觉来认识生活环境及其变化的动物 (如蚯蚓)称为触觉动物。

节肢动物对通过固体、水、空气传导而来的振动十分敏感,它的感受器中有感觉毛和钟形感觉体。如蠊的尾毛相应于空气的流动在胫节存在对低频 (30～500 Hz)和高频(1000～5000 Hz)有反应的感受器;蜜蜂的触角和关节运动都具有对风向、风强的感知能力;蜘蛛对网上猎物生死的判断也是依据一定的振动形式;水生脊椎动物的侧线器对水流、水波、水压变化有很好的反应。除对低频敏感外,侧线器的感觉细胞与在高等动物所见的内耳毛细胞是相同的。

2 振动触觉的特点

皮肤对压力 (正或负)、振动、温度、电压和电流等刺激敏感,每种不同的感觉都有适宜的刺激。皮肤感受器中与振动触觉相关的主要是用于感受低频振动的Meisner小体和用于感受高频振动的深层 Pacinian小体。在人类,振动感受器传递的电信号是由感觉传导束 (上行传导束)内侧丘系来实现的。

振动感受器的感受性有一定的频率极限,即阈值。当振动刺激低于或高于一定频率时,不会引起振动觉。除振动频率外,刺激强度及刺激的皮肤部位和接触面积也对振动觉有较大影响。振动感受性还具有空间和时间总合的效应。如果振动刺激作用于皮肤的面积增大,将出现空间总合,导致强度绝对阈限下降。如果同时刺激 2个邻近的皮肤点或身体的 2个对称部位,也会出现空间总合。另外,在一定范围内,如果振动刺激的作用时间不断增加而出现时间总合,强度绝对阈限则会下降,故振动刺激的长期作用可导致适应,使振动感受性降低。

振动信号和视觉、听觉信号一样可同时被感知,且振动触觉也具有全方向的感觉能力。振动触觉通常根据周期差异来分辨不同振动信号,分辨功能在大脑皮层内完成[2]。如果要正确理解振动触觉语言,必须注意振动触觉语言的关键特性[3],包括频率、振幅、波形、持续时间、节奏,身体位置和时空模型等。

2.1 频率 人可以觉察到的振动频率为 20～1000 Hz,最敏感的频率在 250 Hz左右,人能够区分的离散频率的数量在 9个左右。振幅的变化会在一定程度上导致频率感觉的变化。

2.2 振幅 亦即刺激强度,范围 0.4～55.0 dB。研究发现,振幅在 0.4～3.2 dB之间变化时差异显著,28.0 dB以上时感觉开始恶化,55.0 dB以上开始有疼痛感。

2.3 波形 波形的感觉较为困难,正弦波和方波易于感觉并区分,其他复杂波形则很难区分。

2.4 时间 刺激持续时间小于 0.1 s可产生轻拍的感觉,长时间刺激产生的则是刺戳的感觉,当刺激递增或衰减的时候,可以感觉到平滑的触觉感觉。

2.5 节奏 当在皮肤的同一区域有多个刺激时,持续时间的差异可以被用作对不同刺激进行分组,不同持续时间的脉冲组合,也可构成节奏单元。

3 振动触觉的应用研究

3.1 辅助信息获取 我们都知道,设为振动的手机能提示短信、来电或者定时等信息,耳机能带来声音和音乐,助听器能帮助有听力障碍的人感知外界声音等。事实上,通过振动人们获取的信息可以更多。在危险领域如消防救灾和战场等领域[4],由于客观存在的原因,操作者可能短期或长期无法通过视觉或听觉来获取信息,从而影响到指挥。但是完全可以利用振动触觉实现无声指挥。Robert Lindeman已经为此研究了多年,成功地研制出基于振动触觉的装置——振动触觉腰带 (vibrotactile belt)和振动背心 (tactavest),它们能在步兵实战障碍演习中传递一些简单的信息。美国海军拟制作的新一代战斗服就可能布设遍及全身的传感器。利用它可以传递更多信息,比如一个轻击意味着一个有敌意的人走近,一个脉冲表示临近的人很友好等。

3.2 辅助定向 在飞行领域,由于安全和精确操作的需要,飞行员不得不频繁切换视觉视野,特别是在复杂空域或存在高加速度时,飞行员常发生空间定向错觉 (spatial disorientation,SD),这对飞行是非常危险的[5,6]。SD是相对地面或其他飞行器产生的对高度、位置和运动产生的错误认知,是引起空难的重要因素之一。如果通过激活不同的感觉器官[7](如视觉符号、三维音响和振动触觉信号等)警示飞行员处于危险定向状态,有助于减少飞行错觉[8],对保障飞行安全具有重要意义。Ernst指出人的视觉偏差直接依赖于力/触觉信息的修正[9]。据此,国外已开始研制振动触觉服或振动背心。振动触觉服包含数个振动元件,每个振动元件在服装上的位置是固定的,着装时也就相对的固定在机体某个部位,这样可以产生快速且直接的空间信息,更易把握飞行的姿态和高度等。该振动触觉服也可用于辅助宇航员进行空间定向,对有严重前庭障碍的人也有很大帮助。

3.3 辅助运动训练 荷兰应用科学研究组织研发出一种被称为“振动垫”的运动服,有助于提高运动员的成绩。这种触觉运动服内置有传感器,可以感应出选手的状态,并发出触觉信号,提醒穿着者需要优化自己的技术,或使用特定的肌肉群以争取更佳成绩。该研究组织称,运动员对触觉信号的反应,较他们对教练呐喊声的反应更迅速。目前这种触觉运动服正在划艇运动员中进行测试。振动垫绑在接受测试的运动员的脚踝和腰上,当运动员的表现不理想时,振动垫会提醒他们改变节奏。

3.4 辅助治疗 Olav Skille发现,将肌肉紧张痉挛的脑瘫儿童放在卧式大音箱上,所播放的音乐可使患儿愉悦,肌肉痉挛缓解并放松。他认为,这些症状和体征的改善是音乐声波振动所致,便着手研究体感振动音乐治疗技术,后来发展成体感振动音乐疗法。体感振动音乐疗法使用专用音响,让人平躺在上面,全身宛若漂浮在音乐声波当中。临床观察表明,体感振动音乐治疗方法能缓解失眠、过敏性肠综合征、便秘、心脏病、神经性贪食、头疼、厌食症等心身症状,在国际上也应用在产妇分娩、输血、手术、血液透析、老年痴呆、肿瘤、疼痛专科、针灸、褥疮的预防和治疗等方面。

3.5 辅助心理减压 体感振动音乐还用于心理减压,减轻个体抑郁、焦虑和神经过敏等状况。2006年,中国国家体育总局体科所历时 1年多对 59名中国现役优秀运动员 (国家、国际运动健将)进行测试,结果证明对缓解运动员心理和生理疲劳具有明显效果,甚至对激发潜能起到一定作用。2007年,中国音乐治疗学会功能音乐研发中心选定体感振动音响研发“生物共振音乐治疗系统”,成为各精神卫生中心、综合医院音乐治疗室、心理门诊减压中心的首选配置。

4 应用展望

振动触觉有较好的带宽且在实际工作中容易实现 (如使用钝针、音圈或压电晶体等产生振动)[10],是辅助视觉等其他感觉的一种有效方式[11],振动触觉也可用于展示携带者本人的行为或信息,比如面部表情[12]等。因此振动触觉的研究已广受世界各国的重视,未来也许有更多的用途,商业应用价值巨大,比如辅助平衡、辅助听力,用于医学训练或游戏系统,跟踪危险环境人员的行为[4],还能用于防止交通事故[13]等。当然,振动触觉只是辅助提供信息,并不能完全替代视觉或其他机体感觉。

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R34;R6

A

1009-0754(2010)04-0373-03

200433 上海,海军医学研究所

2.6 位置 身体的不同部位对触觉的敏感度不同。

2.7 时空模型 触觉刺激可以在身体上产生二维触觉图案,改变时间和位置编码信息,触觉图案可以在身体上移动和改变。

2010-11-06)

(本文编辑：施 莼)