触觉研究将改变我们的生活

早上起床后，研究触觉反馈的机械工程师杰里米·布朗常常要吃一个鳄梨（也就是我们常见的牛油果）。他会先轻按一下，给它一点挤压力，但用力不会太大。成熟的鳄梨会屈服于这种压力，略微下陷一点。布朗还会用手掂量一下梨的重量，摸摸它蠟质的果皮，还有它的隆起处。布朗说：“我无法想象，假如没有触觉，像判断鳄梨成熟度这样简单的事，我们如何才能够做到？”

传染病大流行期间，我们对于触觉接触比平时有了更多的感触和思考。除了亲人之间，拥抱、击掌和握手这类接触行为比以往少多了，网络购物的激增也意味着人们有意识地减少在商场挑选时与物品直接接触的机会。

我们触摸任何东西的感知体验，都是大脑中数千条神经纤维和数百万个神经元活动的产物。身体的自然触感非常复杂，神经感受器通过检测压力、形状、运动、质地、温度等信息，引发多种模式的神经活动，中枢神经系统负责进行解释，于是我们就可以判断某物是光滑的还是粗糙的，是湿的还是干的，是移动的还是静止的……

假如没有触觉，怎么判断鳄梨的成熟度成为难题

我们触摸任何东西的感知体验，都是大脑中数千条神经纤维和数百万个神经元活动的产物

神经科学是触觉研究的核心，但布朗和其他机械工程师，以及数学和材料科学方面的专家，也在研究触觉，并打算将其转化为实际应用。他们希望通过触觉研究可以改进一些现有技术，或开发出模拟触觉感觉的新技术。

科学家和工程师通过对人体神经系统对触摸刺激反应的更多了解，开始研究人体皮肤与不同物质接触的相互作用，以及人体发送和接收模拟触觉的方式，这些极具挑战性的研究正在取得进展。在不久的未来，失去肢体的人将有可能通过安装假肢恢复一些触觉，在更远的未来，触觉研究将开发出更多新科技，如增加网上购物的触感，创建远程医疗的新形式，拓展虚拟现实世界的新体验等。

触觉研究模仿和重现真实触感

现有技术让人们可以在虚拟现实中体验在国际空间站漫步，或在天然气井周围行进的感受。为了让触觉也成为这种体验的一部分，研究人员正在对触发触觉的信号进行研究。

我们的身体布满了对触摸产生反应的神经末梢，我们的手，尤其是我们的指尖，对触觉特别敏感。一些触觉感受器告诉我们身体各个部分相对于其他部分的位置，另一些触觉感受器让我们感知疼痛和温度。触觉研究人员的目标之一是模仿力和运动产生的触感，如压力、滑动或摩擦。

每当你与某个物体互动接触时，你的皮肤就会轻微变形，或者被轻轻挤压：用手指轻按盲文字母凸起的圆点，这些圆点会轻戳你的皮肤；用手指摩擦织物，这个动作会产生难以觉察的轻微震感。

四种主要类型的触觉感受器对这些刺激做出反应，与物体的一次接触可对多种类型触觉受体产生影响。

一种叫作“帕西尼氏”小体的受体位于皮肤深处，它们擅长探测与不同纹理交互作用时产生的振动。受到触摸刺激，受体会发出一系列信号传递到大脑，大脑将这些信号解释为接触到某种特殊的结构。这就好比我们通过听觉来识别音符和曲子一样。

手指对温度的感觉

我们的身体布满了对触摸产生反应的神经末梢，我们的手，尤其是我们的指尖，对触觉特别敏感

触摸每一种材质（如灯芯绒、针织面料、牛仔面料）都会产生一组不同的振动模式

触摸每一种材质（如灯芯绒、针织面料、牛仔面料等）都会产生一组不同的振动模式，这些不同质地的材料在皮肤上产生的振动模式是可测量的。这种测量是研究人员试图重现不同材料的质感所走出的第一步。

这种接触产生的振动波为一种接触界面弹性波，犹如水波，称为“瑞利波”。只不过这种接触产生的瑞利波能量十分小。但这种瑞利波可以深入抵达帕西尼氏受体。瑞利波是地震波的一种，但地震中产生的瑞利波的强度和破坏力要大得多。

并不是所有的触碰都有触发帕西尼亚受体反应的足够力量。为深入了解哪些相互作用会刺激这些受体，研究人员收集了狗、海豚、犀牛、大象和其他哺乳动物的四肢、头部或颈部与物体产生触感的大量数据，推导出了哺乳动物触觉的“通用标度律”模式。

大多数情况下，如果触摸产生的瑞利波长度与受体深度之比为5 2，皮肤表面的触摸将触发皮肤深处帕西尼氏受体的反应。达到这个比例或更高比例时，人类与大多数其他哺乳动物就可以感受到这种触觉感知。

科学家还发现，在大多数哺乳动物物种中，触发帕西尼氏受体感觉的皮肤位移量的波长是相同的，但不同物种需要或多或少的力来引起皮肤位移，可能取决于皮肤成分或其他因素。该研究揭示了“需要什么样的信息才能真实地捕捉触觉体验，并将这种触感信息以数字化形式发送到任何地方”，然后人们可以通过某种装置或利用超声波来体验这种触感。有朝一日，这项研究或可有助于提供更广泛的虚拟现实体验，包括虚拟拥抱。

在線触觉购物提升数字生活品质

机械工程师希普韦尔在网上浏览了各种沙发，而因为无法感觉到沙发面料的质地，她最后还是没买。

随着研究深入，可以预料，未来在线上购物，你也可以利用触觉来感知布料。网页的计算机代码可让屏幕上的某个区域模仿不同的纹理，也许是通过电荷变化、振动信号、超声波或其他方法。触摸屏幕可以让你通过触感了解一件毛衣的质地是否柔软，或者沙发的织物表面是凹凸的还是平滑的。

但在实现这一切之前，我们首先需要理解对屏幕触觉感知产生影响的几个条件。

可以预料，未来在线上购物，你也可以利用触觉来感知布料

科学家认为，纳米（十亿分之一米）尺度的表面特征可以影响我们的触觉感知。当空气中的湿气与皮肤的油脂和汗液混合在一起时，我们可能意识不到空气是否潮湿，但水分的微小变化却可以改变手指在屏幕上移动时的摩擦力，这种摩擦力足以影响我们对屏幕纹理的感知。

电荷变化也会改变手指和触摸屏之间的吸引力，这种吸引力被称为“静电吸附力”，它也会影响我们触摸屏幕时的触觉体验。希普韦尔的团队开发的计算机模型解释了静电吸附力、水分和皮肤对玻璃的挤压变形影响之间的关系。

希普韦尔希望，这个模型能帮助产品设计师开发超越现有网上购物体验的触觉触摸屏。例如，网上购物者可以通过触摸屏幕感知布料质地，未来汽车驾驶员也可以轻按仪表盘的触摸屏来改变车内温度或收音机设置。

触感皮肤贴片促进远程医疗开展

视频并不能让医生感知到腺体肿胀，也不能让医生按压患者腹部检查肿块。在这样的情况下，增加了触觉反馈功能的远程医疗将造福更多患者，特别是给那些缺少医生的偏远地区的病人带来极大方便。

未来家庭、药店或工作场所的遥感设备、机器人或其他带有传感器的设备，可以接触到患者身体的某些部位，在另一处地方遥控诊病的医生就可以通过转发过来的电子信息，体验触摸诊病的真实感觉。

研究人员正在开始研究能够将触觉反馈在数字信息和真实触感之间进行转换的材料，同样的材料也可以在虚拟现实应用中用来传递信息。有科学家正在开发一种皮肤贴片。这种柔性贴片中的一层直接贴在人的皮肤上，其他层包括一个可伸缩的电路板和极微小的执行器。电流在周围流动时会产生振动，通过无线信号控制执行器的打开或关闭，运行贴片的能量也来自无线信号。

未来借助传感器设备可以远程医疗

研究人员已对贴片做了进一步改进，减少了厚度，减轻了重量，并为佩戴者提供详尽信息。他们将系统扩展为模块化形式，允许用户以一种即插即用的方式定制贴片的尺寸和形状。到目前为止，已开发出可以同时作用于身体不同部位的多种贴片。

研究团队希望将该项技术应用于消费者拥有的其他电子产品，如智能手机。为此，他们开发了一种压力敏感的触摸屏界面，通过在智能手机或电脑触摸屏上移动手指来提供触感信息，佩戴贴片的人可感觉到抚摸、敲击等触感。

触觉反馈系统改善人工假肢的控制精度和力度

科学家还开发了一种利用贴片系统从假肢指尖施加的压力中提取信号的方法，其他研究人员也在测试如何给假肢增加触觉反馈。压力和运动反馈信息可以帮助用假肢行走的人更有信心，同时减轻患肢疼痛。

机械工程师布朗希望可以通过触觉反馈来帮助人们控制假肢的力量。他认为，正常人会本能地调整手的力量。例如，当他在停车场牵着女儿小手的时候，如果她想抽离，他就会不由自主地轻抓她的手，但如果他没有正常的触感，控制不好力度，就会很容易伤到女儿。

在手腕附近绑上一个装置

在一项研究中，布朗的研究小组测试了两种增加电子肢体对物体施加力做出反馈的系统。一种是利用外骨骼在人的肘部周围施加力，另一种是在手腕附近绑上一个装置。研究人员利用健康志愿者对这两种装置进行测试。

结果显示，这两种反馈系统效果都很好，用户可以根据反馈的强度来控制好施加的力，这项研究为改善肌肉控制的电子肢体提供了新的途径。

一些研究人员也开展了相关研究：仿生手拇指上的触觉传感器发出信号，传递到植入手臂尺骨神经周围的电极。这种仿生手在三位失去一只手的志愿者身上进行了测试，当仿生手拇指被戳碰时，他们都感觉到了触感，但触感好像来自手的其他地方。这是因为，虽然研究人员可以选择电极刺激某根神经，但他们不知道会对神经中的哪束纤维产生影响，而不同的神经纤维束接收并反馈施加于手上不同部分的触感。即使使用了一年多的假肢，这种不匹配的情况也没有得到改善，大脑不能对这种情况进行修正。

尽管如此，使用这种有触感仿生手的人在抓取物体时对假肢有更好的控制精度和控制力度。参加测试的志愿者说，有触觉反馈功能的仿生手更像是他们身体的一部分。

仿生手拇指上的触觉传感器发出信号，传递到植入手臂尺骨神经周围的电极

仿生手研究表明，触觉技术的进步可能不会一开始就非常完美。事实上，虚拟拥抱和其他模拟触摸体验可能永远比不上真实的体验，但触觉反馈研究可以帮助我们在未来用一种新的方式去探索世界，通过模拟真实的触感，与我们的亲朋好友保持更密切的联系。

触感的普遍性

通过对触摸物体时沿皮肤移动的瑞利波（即表面波，固体物表面的运动波）的长度与帕西尼氏受体触摸感受器的深度之比的研究，科学家发现，除了啮齿动物外，在几种哺乳动物中，皮肤中相同的变形量可产生类似的感觉。