认识触觉世界

枫月

这是一个最缺乏了解的世界

一只仿生手臂怎样实现触觉？触觉产生的原理是什么？人们研究触觉能做什么？

美国克利夫兰。二月的一天。48岁的伊戈尔·斯派提克在用他的新手臂去感知一个不存在的小球。他6年前在一次工业事故中不幸失去了右手前部，如今多亏了仿生手臂，让他重新找回了——触觉。

神经传感仿生手臂让人再次恢复触觉

俄亥俄州凯斯西储大学的达斯汀·泰勒教授是克利夫兰退伍军人管理医院的医生，同时他也是仿生手臂项目的首席研究者，“4年前我们的团队为斯派提克做了一个外科手术，在他的截肢断面上为他按上了一个半透明的接口，这个接口直接与斯派提克的手臂神经回路相连接。在這基础上，我们为他定制了一个有个手指关节，肉色橡胶表面材质，能够灵活弯曲关节的仿生手臂。这样，这个仿生手臂可以直接与斯派提克的手臂相连接，也就是直接和斯派提克的大脑相连。”

这个定制的仿生手臂里有19个压力传感器，斯派提克的手臂里也植入了3个电极。当压力传感器在感受到外界的信号时，通过手臂内的电脑芯片，将电流信号转化为电波，这些电波会被斯派提克手臂中的3个电极所接收，最后被手臂的神经回路所识别。

“触觉是我们与周围事物互动的一种方式。我们的目标不仅仅是恢复触觉功能，而是让患者重新与世界建立联系。这是一个漫长的过程，要恢复手上多个点的感觉，有几十、几百或许更多。我们需要重新激活大脑产生触觉的区域，而一旦失去了手的输入，接通这些区域的转换点也就丧失了。” 泰勒教授说道。现在，斯派提克在仿生手臂的帮助下，他的大脑会感到“我的手臂还在那里！”

“我们目前并没有完全掌握压力神经传感技术，因为传感器压力的灵敏度是目前科技的障碍。” 泰勒教授说道，“正常人对于冷，热，质地的触感很灵敏，因为不同触感的压力传感极其细微，而且传感时间都是在微秒之内。例如我们通过触摸物体表面，就能够知道我们摸的是什么材质，是绸缎还是砂纸;但是像挤牙膏，刷锅等那种微妙的感觉我们都还无法做到。”该传感器本身并不能精确地辨别材质，他们只能察觉到压力。不同的信号模式通过电极传递，被大脑识别为不同的刺激。泰勒教授认为，“每个人在生活经历中会创建一个自己的感觉地图，这使他们能够对一个给定的感觉进行相关输入。我不认为我们给的刺激能准确地击中地图上的点，但他们能使大脑足够熟悉并识别它是什么。”

泰勒教授还认为，除了假手，该技术还能用来帮助那些使用假腿的患者从地面接收输入，并使他们适应碎石和不平整的路面。此外，这种神经接口和新的刺激术在控制震动和深部脑刺激等方面也同样大有用途。目前，这个模式仍在不断调整，而斯派提克也在为仿生手臂的改进而努力。

其实，斯派提克通过仿生手臂现在已经能够感受到一些微妙的触觉了。“我的仿生手臂最大能够产生40磅的压力，所以握鸡蛋——就成了我每天的训练项目，以前我必须通过眼睛看到的来控制手臂，现在我能够通过触觉去完成握鸡蛋了！”传递触觉到大脑的神经，被7毫米的“电极套”上的接触点刺激，“电极套”会将触感发给正确的神经。当假肢的相应位置触碰物体时，斯派提克就能感觉到他的手和手指被触碰，并且能感觉到从粗砂纸到光滑的金属等各种材质。当一名研究人员用棉球擦拭斯派提克的假肢背面时，他立刻察觉到了“那是棉花。”斯派提克的工作非常具有挑战性，作为瑞典北部的一名卡车司机，通过仿生手臂的触感，他经历了很多截肢后没有过的经历——从夹紧装载拖车的锁、取鸡蛋、到帮孩子系鞋带，至少现在的生活环境，他都能一一应对。

触觉的研究还有更多的未知

泰勒教授说道，“触觉并不是感觉的单向传递，而是触觉信号的双向交互行为、传递与接收。”为此斯派提克还被要求将仿生手臂脱掉，将自己的手臂直接连在电脑上进行模拟练习。“这就像是凭空让我移动我的手臂，甚至去触摸一些不存在的东西。” 当然这些都是电脑通过斯派提克手臂上的电极模拟出来的电波，“我能感觉到我的拇指和我的食指了！”斯派提克惊呼道。“他已经开始习惯称呼‘这个拇指为‘我的拇指了，”泰勒教授笑着说道。

“我们已经找到触觉最为重要的因素是压力，但是压力传感器即使再灵敏精确，也不叫做触觉。”泰勒教授继续说，“这项实验起初，斯派提克感觉到的仅仅是压力所造成的刺痛感。如何将刺痛感变为触觉，这是我们要去解决的。好比一声刺耳的‘尖叫声，我们如何将这 ‘尖叫声变为含有信息的语言？其实我们只需要将这‘尖叫声分解，排列重组，就能把它变为语言。”但是触觉却没有这么简单。

举个简单的触觉列子，你就会发现触觉没有那么简单。当我们把手放进自己的口袋时，你可以瞬间摸出兜里的东西，钥匙，钱包，或者你的身份证，当然手机也能通过触觉摸出来，但是当你的手机震动时，你不摸也知道那是手机。“这是一个非常形象的例子。这个行为可以解释我们的触觉是如何通过皮肤进行一个整体的传感、猜测以及逻辑运算的。没错，这些触感的传递不是由大脑进行处理的，而是皮下的帕西尼氏小体单独完成的。你可以把皮肤想象为一张毛毯，每一微米下都有一个独立的大脑。” 约翰霍普金斯大学的神经学家大卫·林登教授在他巴尔的摩的办公室里解释道。

“触觉不同于人类其他的感官，触觉往往被人所忽视。我们可以想象一下，人类通过眼球可以看到东西，通过耳朵可以听到东西。但是通过研究小白鼠我们发现，没有了眼球我们可以模拟出视觉信号，没有耳朵我们可以模拟出声音信号，最后通过大脑去处理这些信号。但是触觉信号我们难以模拟，因为触觉信号通过皮肤传递过来时就已是处理完毕的信息了。在过去的10年里，人类对于触觉的研究越来越多，但是我们研究的越多，就会发现触觉的研究还有更多的未知。”林登教授说。

科学家们对于触觉的研究至今已经推演出了很多深奥的科学理论和分支，例如触觉学，修复学，体觉研究等等诸多学科。但是林登教授相信，在所有这些学科中最重要的触觉传感理论应当为——广义最小二乘估计理论。简单而言，触觉的处理运算系统是通过多个系统进行的，不仅仅是单纯的压力系统，还包括其他诸多因素，例如痛觉和痒觉。

在痛觉和痒觉研究方面，约翰斯霍普金斯大学的中国神经学家董欣中教授，借助小白鼠实验来寻找感知瘙痒的神经细胞。研究人员对小白鼠作基因改造，使它们的神经细胞在活跃时变成荧光绿。随后再使用瘙痒药物刺激这些小白鼠的面部。“小白鼠的行为非常稳定，如果是痛觉，它们会用前爪擦拭面部;如果是瘙痒，它们会用后抓去挠面部。实验后发现小白鼠正是用后抓去挠面部的。” 实验结果显示，瘙痒神经在脊柱内，靠近脊髓。而瘙痒“刺激点”仅存在于皮肤内，是人们只想抓挠皮肤而不会觉得内脏器官瘙痒的原因，“所以你从不会觉得你的内脏发痒。” 董教授说道。

美国哈佛大学神经学家伊森·勒纳说道，“这是一项非常令人信服的研究，有助于了结对痛觉和痒觉形式的长期争论。” 董教授介绍道，数十年来，瘙痒机制一直没有定论。一些研究发现某些疼痛神经对瘙痒刺激作出反应，而单独的瘙痒神经难以捕捉。于是一些人认为，痛觉和痒觉由相同的神经回路感知，再由大脑作出不同解读。但这难以解释人对痛觉和痒觉作出的不同反应，如遭蚊子叮咬时，多数人强烈希望挠一挠;但如果不小心碰到热炉子，人的直觉是退缩。

触觉的艺术

有一个非常有趣的现象，人体的每一种感官都有自己的艺术展现。说到人类的视觉艺术，多重多样，你会首先想到电影，油画等等;听觉艺术更是丰富，比如音乐，相声等等;甚至是嗅觉都有自己的艺术展现空间，例如香水，还有你太太做好的饭菜香味，“今天做的一定是红烧肉！”

然而唯独触觉的艺术却被人们忽视了。如今也有很多人提出“触觉博物馆”的概念，意在体现用手指去触摸感受的艺术。然而这些想法都一一被历史所淘汰了。历史学家康斯坦斯·克拉森回忆道，“历史上第一家触觉博物馆的原型是18世纪在阿什莫林地区的一家博物馆。1760年，这家博物馆的拥有者被指有不文明行为，因为博物馆内被触摸的对象还包括女性以及孩子！在当时，触摸被标为‘不合情理以及原始行为的标签。”即使到了今天，触摸博物馆内的艺术品也是不被世人认可的。你可以想象那些被千百游客摸得锃亮的艺术品，还有旁边那块“禁止触摸”的指示牌。

虽然触觉的艺术展现很困难，但是触觉在娱乐用途上的开发却非常容易。首个触摸屏手机是IBM公司在1993年推出的“Simon”，首次在手机里内置了一块触摸屏，尽管早期触摸屏的触感实在是很差。随后，摩托罗拉、索尼爱立信、三星、HTC等手机厂商，都在不断寻找真正适合手机的触摸屏设计。其中最为知名的要数苹果公司了，最终苹果公司在2007推出了具有高分辨率、多点触控功能的iPhone，真正确立了触摸屏的标准。而在今天，电容触摸屏已经成为手机的标准配备。“如今的手机生厂商都在打触觉的主意，产品名和广告都直接用‘触觉（touch）了！” 一名耶鲁大学计算机专业的学生说道。

游戏机的震动功能，也是触觉体现价值的一个点。“那种手柄震动的触感，总能让你更加专注地投入游戏”不少游戏玩家说道。除了高科技的玩意外，还有不少机械功能的按摩椅和按摩器，能够让你从物理的角度接触触觉带来的放松。“除了外部的刺激外，还会有内部的刺激。毕竟皮肤与脂肪下面就是肌肉，人体的触觉感受是复杂的，触觉神经末梢一部分也会连在肌肉上，这也是中国古代的针灸治疗为什么会引起皮膚神经不同感受的原因。”林登教授说道。不少新鲜的触觉减压玩具也随着科技的进步而上线，例如减压骰子，这个就像小时候我们喜欢把塑料泡沫包装袋上的气泡挤爆一样，通过触觉来释放自己手指的压力。

英国伦敦服饰时尚公司Cutecircuit还为触觉的传递专门设计了一种T恤衫，在衣服的胸前印有“抱抱我”几个字。他们还在英国的街头举行“为陌生人传递爱的拥抱”主题活动。“在信息科技发展的今天，人们能够通过科技手段相互发送声音，发送图像，但是却无法发送触觉。”林登教授说道。通过拥抱，人们往往能够感受到更丰富的情感信息。

幻痛与性触觉

如果说触觉还有一个更为重要的作用，那么人们一定会联想到性行为。但是在了解性行为的触觉之前，我们必须先要了解一个词——“幻痛”，也叫作“幻肢痛”。“幻痛”是指患者感到被切断的肢体仍在，且在该处发生隐隐的疼痛感。举个例子，在电影中当你看到主角的皮肤被烙铁烫伤，你会不自觉地感受到自己皮肤有种奇怪的感觉，这就是幻痛。而幻痛与性触觉在引发原理上有所相似，而且还都会被人夸大其词来描述这种触觉。

对于伊戈尔·斯派提克来说，幻痛感再熟悉不过了。他的脑海中依稀记得工业事故发生的那天。当他的手臂被机械截断的一刻，那种疼痛感就永久地印在了他的脑海中。“无法忍受的疼痛，每当我有意或者无意间回想起时，都会感到我的手臂传来一阵阵灼烧的疼痛。”斯派提克说道。

幻痛的表现往往出现在断肢病人的身上，疼痛性质有多种，如电击样、切割样、撕裂样或灼烧等。表现为持续性疼痛，且呈发作性加重。各种药物治疗往往无效。“对幻痛的发生原理，目前科学界尚无统一意见，当然也没有明确的疗法。”泰勒教授解释说道。“但幻痛往往是一种心理认知现象，也是人类自我保护的潜能。自从斯派提克安装了仿生手臂之后，他的这种幻痛现象缓解了很多，最后甚至消失。幻痛的出现并不是因为疼痛感的巨大而产生的后遗症，例如女性在分娩时的疼痛感也是非常巨大的，但是我们很少听到产后妇女会有幻痛，这是因为她们接受了这种痛觉刺激。”

所以，幻痛感可以说是人类因为自我保护本能的排斥，所产生的触觉。而性行为所带来快感的触觉，和幻痛感类似，是人类本能的渴望而产生的强烈的触觉。关于性行为的触觉感受，你可能听过千百种说法，各种美妙且不可思议的描述。甚至大多数男性都会认为生殖器上的触觉会更为灵敏。“其实不然，我们曾经在显微镜下寻找过生殖器上所谓的‘性传感神经，但是那里的皮肤没有任何特殊之处，和其他的皮肤完全一样。”神经学家大卫·林登教授说道。一个有趣的案例是，一位女士每天早上刷牙时都会引发性高潮，在检查过后发现，引发这种情况的原因是刷牙时的动作，而非其他原因，“所以说性行为快感的传递是多种因素造成的，并非只有触觉。”

达斯汀·泰勒教授对于触觉的研究在美国国防部的财政支持下还在继续着，每年美国将会花费数千万美元在这项科学研究上，因为太多从伊拉克战场以及阿富汗战场上回国的士兵是残疾人。而斯派提克佩戴该假肢两年半后，虽然幻痛感消除了，但是仿生手臂的触感也没有一开始那么强烈了，感觉会随着时间的推移而慢慢淡去，甚至在其他仿生手臂的使用者中，触觉在几周后便开始消失。但是研究人员希望该技术能够使患者受用终身，并有信心于5年内实现在美国全国推广使用使用。

“为什么触觉缺少艺术表现形式？我想是因为人类本身无法逃避触觉带来的感受，这也是一种本能。你可以闭上眼睛，捂住耳朵，却没有办法关掉你的皮肤。”泰勒教授说道。