Биомеханика кожи может выполнять полезные тактильные вычисления

Как самый большой и выдающийся орган нашего тела, кожа также обеспечивает одну из самых фундаментальных связей с окружающим миром. С момента нашего рождения, это тесно связано с каждым физическим взаимодействием, которое у нас есть.

Хотя ученые изучали чувство осязания или тактильные ощущения уже более века, многие аспекты его работы остаются загадкой.

«Чувство осязания до конца не понято, хотя оно лежит в основе нашей способности взаимодействовать с миром», — говорит исследователь гаптических исследований Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Йон Визелл. «Что бы мы ни делали своими руками — беря в руки стакан, подписывая наше имя или находя ключи в нашей сумке, — все это невозможно без осязания. Однако мы не до конца понимаем природу ощущений, захваченных кожа или как они обрабатываются, чтобы обеспечить восприятие и действие «.

У нас есть лучшие модели того, как работают наши другие чувства, такие как зрение и слух, но наше понимание того, как работает чувство осязания, гораздо менее полно, добавил он.

Чтобы помочь восполнить этот пробел, Виселл и его исследовательская группа, в том числе Итиан Шао и сотрудник Винсент Хейворд из Сорбонны, изучали физику ощущения прикосновения — как прикосновение к объекту вызывает сигналы в коже, которые формируют то, что мы чувствуем. В исследовании (ссылка), опубликованном в журнале Science Advances , группа показывает, как внутренняя эластичность кожи способствует тактильному восприятию. Примечательно, что они показывают, что кожа, которая не является простым сенсорным материалом, также может помочь в обработке тактильной информации.

Чтобы понять этот важный, но малоизвестный аспект осязания, Визелл считает, что полезно подумать о том, как глаз, наш зрительный орган, обрабатывает оптическую информацию.

«Человеческое зрение зависит от оптики глаза, чтобы сфокусировать свет на изображение на сетчатке», — сказал он. «Сетчатка содержит светочувствительные рецепторы, которые переводят это изображение в информацию, которую наш мозг использует для разложения и интерпретации того, на что мы смотрим».

Аналогичный процесс разворачивается, когда мы касаемся поверхности своей кожей, продолжил Виселл. Подобно таким структурам, как роговица и радужная оболочка, которые захватывают и фокусируют свет на сетчатке, эластичность кожи распределяет тактильные сигналы по сенсорным рецепторам по всей коже.

Опираясь на предыдущую работу, в которой использовался массив крошечных акселерометров, надетых на руку, для определения и каталогизации пространственных моделей вибраций, создаваемых такими действиями, как постукивание, скольжение или захватывание, исследователи здесь использовали аналогичный подход для захвата пространственных моделей вибрации, которые генерируется, когда рука чувствует окружающую среду.

«Мы использовали нестандартное устройство, состоящее из 30 трехосных датчиков, аккуратно связанных с кожей», — пояснил ведущий автор Шао. «И затем мы попросили каждого участника наших экспериментов выполнить много разных сенсорных взаимодействий своими руками». Исследовательская группа собрала набор данных из почти 5000 таких взаимодействий и проанализировала эти данные, чтобы понять, как происходит передача созданных на ощупь шаблонов вибрации, которые передавались по всему информационному содержимому в форме тактильных сигналов. Вибрационные паттерны возникли из-за упругой связи внутри самой кожи.

Затем команда проанализировала эти закономерности, чтобы уточнить, как передача вибраций в руке формирует информацию в тактильных сигналах. «Мы использовали математическую модель, в которой высокоразмерные сигналы, ощущаемые по всей руке, были представлены как комбинации небольшого числа примитивных паттернов», — объяснил Шао. Примитивные шаблоны обеспечивали компактную лексику или словарь, который сжимал размер информации в сигналах, позволяя кодировать их более эффективно.

Этот анализ породил дюжину или меньше примитивных волновых паттернов — вибрации кожи по всей руке, которые можно использовать для сбора информации в тактильных сигналах, ощущаемых рукой. По словам Виселла, поразительной особенностью этих примитивных моделей вибрации является то, что они автоматически отражают структуру кисти и физику передачи волн в коже.

«Эластичность играет эту самую основную функцию в коже, задействуя тысячи сенсорных рецепторов для прикосновения в коже, даже когда контакт происходит на небольшом участке кожи», — пояснил он. «Это позволяет нам использовать гораздо больше сенсорных ресурсов, чем было бы иначе, чтобы интерпретировать то, к чему мы прикасаемся». Замечательный вывод их исследований состоит в том, что этот процесс также позволяет более эффективно собирать информацию в тактильных сигналах, сказал Виселл. Обычно считается, что обработка информации такого рода выполняется мозгом, а не кожей.

Роль, которую играет механическая трансмиссия в коже, в некотором отношении схожа с ролью механики внутреннего уха в слуху, сказал Виселл. В 1961 году фон Бекси получил Нобелевскую премию за свою работу, показывающую, как механика внутреннего уха облегчает слуховую обработку. Распространяя звуки с различным частотным содержанием на разные сенсорные рецепторы в ухе, они помогают кодированию звуков слуховой системой. Работа команды предполагает, что подобные процессы могут лежать в основе осязания.

Эти результаты, по мнению исследователей, не только способствуют нашему пониманию мозга, но также могут предложить новые подходы к конструированию будущих протезов конечностей для пациентов с ампутированными конечностями, которые могут быть наделены эластичными материалами, подобными коже. Подобные методы также могут быть использованы для улучшения тактильного восприятия роботами следующего поколения.