Нормальные и тангенциальные силы объединяются, чтобы передать контактное давление во время динамической тактильной стимуляции.

Sep 03, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8215 (2022) Цитировать эту статью

1302 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Людям необходимо точно обрабатывать контактные силы, возникающие при выполнении повседневных тактильных взаимодействий, таких как скольжение пальцев по поверхности, чтобы нащупать неровности, липкие участки или другие неровности. Возможны несколько различных механизмов того, как силы, действующие на кожу, могут быть представлены и интегрированы в таких взаимодействиях. В этом исследовании мы использовали роботизированную платформу с силовым управлением и одновременную ультразвуковую модуляцию трения о поверхность пальца для независимого манипулирования нормальными и тангенциальными силами во время пассивной тактильной стимуляции плоской поверхностью. Чтобы оценить, кратковременно увеличивалось или уменьшалось контактное давление на палец во время отдельных испытаний с этим широким набором стимулов, участники не полагались исключительно ни на нормальную силу, ни на тангенциальную силу. Вместо этого они интегрировали тактильные сигналы, вызванные обоими компонентами. Машинный анализ опорных векторов классифицировал данные физических испытаний с точностью до 75% и предложил линейный механизм восприятия. Кроме того, изменение амплитуды вектора силы предсказывало реакцию участников лучше, чем изменение коэффициента динамического трения, что позволяет предположить, что интенсивные тактильные сигналы имеют значение в этой задаче. Эти результаты дают новое представление о том, как нормальные и тангенциальные силы формируют восприятие тактильного контакта.

Прикосновение к поверхностям, захват предметов и манипулирование инструментами являются обычной частью повседневной жизни большинства людей. Во время этих взаимодействий мы можем легко извлечь информацию о форме, материале и текстуре практически из каждого контакта, который мы совершаем. При активном поиске определенной тактильной информации мы умеем использовать исследовательские процедуры для выполнения соответствующих движений и максимизации наших перцептивных характеристик 1. Эти движения позволяют нам собирать основные тактильные сигналы, необходимые для тонкого восприятия повседневных объектов 2, текстур 3 или ловких манипуляций. 4. Важность тактильной обратной связи еще больше подчеркивается тем, насколько трудными становятся большинство повседневных задач, когда теряется чувство осязания 5 или когда применяется местная анестезия 6.

Исследовательские процедуры обязательно вызывают нагрузки и деформации кожи; предыдущие эксперименты показали, что эти явления являются важными сенсорными сигналами при выполнении активных движений 7,8. Все типы афферентов реагируют на события скольжения 9 и на изменения трения во время пассивного скольжения 10. Деформации, которые развиваются в роговом слое во время этих событий, создают поля деформации, которые зависят от интенсивности и направления приложенной силы 11,12. Когда они достаточно велики, штаммы в конечном итоге вызывают реакции механорецепторов 9,13. Более того, было показано, что ответы небольшой популяции афферентов могут точно классифицировать приложенную нормальную силу и фрикционные свойства текстур 14. Сигналы от активированных субмодальностей затем сходятся к соматосенсорной коре, где они активируют несколько популяций кортикальные нейроны, которые кодируют важные перцептивные измерения тактильных ощущений 15. Таким образом, люди способны различать изменения величины силы на 7–10%, когда эталонная сила превышает 0,5 Н, и на 15–27%, когда она меньше 0,5 Н 16, а также скольжения менее 5 мм. 17. Тем не менее, мало что известно о когнитивных механизмах, лежащих в основе этих процессов, и о том, как физические атрибуты контактной силы способствуют восприятию трехмерных (3D) особенностей посредством стереогноза.

Исследования тактильного восприятия контактной силы в основном сосредоточены на понимании роли сигналов трения, которые связаны с тангенциальной силой. Было показано, что люди чрезвычайно чувствительны к изменениям тангенциальной силы 18, включая наномасштабные сигналы, вызванные молекулярными различиями между материалами 19,20. Более того, известно, что трение о поверхность пальцев модулирует восприятие шероховатости поверхности 21,22, а также обеспечивает аффективные ощущения, такие как приятность прикосновения 23. Дополнительные доказательства возможной преобладающей роли тангенциальной силы предоставлены физиологическими и вычислительными исследованиями. Микронейрографические записи показали, что направление вектора контактной силы влияет на активность всех типов механорецепторов, которые дополнительно демонстрируют более сильную пиковую реакцию на тангенциальную составляющую силы 24. Было также показано, что трение о поверхность пальца можно предсказать. геометрией поверхности 25, а моделирование взаимодействия предполагает, что сила сдвига более информативна, чем нормальная сила, для распознавания формы во время активного тактильного исследования 26. Однако в этих исследованиях анализировались исключительно измерения контактной механики, чтобы оценить возможную сенсорную значимость эти тактильные сигналы; необходимы дальнейшие психофизические эксперименты, чтобы понять, опирается ли чувство осязания на аналогичные механизмы классификации.