皮肤计算

皮肤是我们身体最大、最重要的器官，也是我们与周围世界最基本的联系之一。从我们出生的那一刻起，它就与我们所有的身体互动密切相关。

尽管一个多世纪以来，科学家们一直在研究触觉，或称触觉学，但它如何工作的许多方面仍然是一个谜。

加州大学圣巴巴拉分校触觉学研究员Yon Visell说:“尽管触觉是我们与世界互动能力的核心，但它还没有被完全理解。”“我们用手做的任何事情——拿起杯子，签上名字，或者在包里找到钥匙——如果没有触觉，这些都是不可能的。”然而，我们还不完全了解皮肤捕捉到的感觉的本质，也不完全了解为了感知和行动，这些感觉是如何被处理的。”

我们有更好的模型来解释我们的其他感官，如视觉和听觉，是如何工作的，但是我们对触觉如何工作的理解还远远不够完整，他补充说。

为了填补这一空白，Visell和他的研究团队，包括Yitian Shao和巴黎大学的合作者Vincent Hayward，一直在研究触觉的物理学——触摸一个物体如何在皮肤中产生信号，从而形成我们的感觉。在《科学进展》杂志上发表的一项研究中，该小组揭示了皮肤固有的弹性是如何帮助触觉感知的。值得注意的是，它们表明，皮肤远非一种简单的传感材料，它还可以帮助处理触觉信息。

为了理解触摸这个重要但却鲜为人知的方面，Visell认为，思考眼睛，我们的视觉器官，如何处理光学信息是有帮助的。

他说:“人类的视觉依靠眼睛的光学将光线聚焦到视网膜上的图像上。”“视网膜含有感光感受器，可以将图像转换成大脑用来分解和解释我们所看到的信息。”

当我们用皮肤接触表面时，一个类似的过程就会展开，Visell继续说。与角膜和虹膜等结构类似，皮肤的弹性将触觉信号分布到整个皮肤的感觉感受器。

以前的工作基础上,用一个数组的微型加速度计戴在手上感觉和目录的空间模式振动攻丝等行为所产生的滑动或把握,研究人员使用类似的方法来捕捉空间的振动模式生成的手感觉环境。

“我们使用了一个定制的设备，由30个三轴传感器组成，轻轻地粘在皮肤上，”首席作者邵解释说。然后，我们要求实验中的每个参与者用他们的手进行许多不同的触摸互动。研究小组收集了近5000个这样的交互数据，并分析了这些数据，以解释触摸产生的振动模式是如何通过触觉信号传递手部形状的信息内容的。振动模式产生于皮肤内部的弹性耦合。

随后，研究小组对这些模式进行了分析，以弄清振动是如何通过触觉信号传递到手形信息的。邵解释说:“我们使用了一个数学模型，在这个模型中，整个手部的高维信号被表示为少量原始模式的组合。”原始模式提供了一个紧凑的词典，或字典，它压缩了信号中的信息大小，使它们能够更有效地编码。

这种分析产生了十几种或更少的原始波模式——手部皮肤的振动，可以用来捕捉手部感受到的触觉信号中的信息。韦塞尔说，这些原始的振动模式的显著特征是，它们自动反映了手部结构和皮肤中波传播的物理机制。

他解释说:“弹性在皮肤中起着非常基本的作用，它使皮肤中的数千个感觉感受器相互接触，即使接触只发生在很小的皮肤区域。”“这使得我们可以利用更多的感官资源来解读我们所触碰的东西。”Visell说:“他们的研究有一个惊人的发现，那就是这个过程可以更有效地捕捉到触觉信号中的信息。”这种信息处理通常被认为是由大脑来完成的，而不是皮肤。

Visell说，机械传动在皮肤中所起的作用在某些方面与内耳在听力中的作用相似。1961年，冯·贝克西因其在内耳机制如何促进听觉处理方面的研究而获得诺贝尔奖。通过将不同频率的声音传播到耳朵中不同的感觉感受器，它们帮助听觉系统对声音进行编码。研究小组的工作表明，类似的过程可能是触觉的基础。

研究人员称，这些发现不仅有助于我们对大脑的理解，还可能为未来截肢者的假肢设计提供新的方法，这些假肢可能会被赋予类似皮肤的弹性材料。类似的方法也可能在未来的某一天被用于改善下一代机器人的触觉感知。