23、触觉感知研究新进展：传感器、可视化与执行器技术探索

触觉感知研究新进展：传感器、可视化与执行器技术探索

在日常生活中，人类对触觉的感知丰富多样，但对于触觉感觉类别之间的关系却缺乏清晰的概括。近年来，相关研究在触觉传感器、触觉材料关系可视化以及触觉执行器等方面取得了显著进展。

手指安装式皮肤振动传感器

研究人员提出了一种使用加速度计的手指安装式皮肤振动传感器。该传感器能测量主动触摸过程中的皮肤振动。通过对频率响应的评估和实验结果表明，该传感器具有有效性。具体而言：
- 皮肤振动与粗糙度的关系 ：传感器输出强度随粗糙度增加而增大，这意味着在主动触摸时，皮肤振动会随着接触刺激的粗糙度增加而增强。
- 个体特征体现 ：不同受试者的传感器输出强度存在差异，说明传感器输出包含了皮肤的个体特征。

利用拟声词可视化触觉材料关系

人类虽能感知和区分触觉纹理，但触觉感觉类别之间的关系不如视觉和听觉类别那样清晰。为此，研究人员提出了一种使用日语拟声词（声音象征词）对触觉纹理感觉进行分类的新方法。
- 实验一：生成拟声词分布图
- 材料与方法 ：选取了42个日语触觉拟声词，让20名二十多岁的参与者（10男10女）对这些拟声词在不平度、摩擦力和粘度方面的印象进行五点量表评分。每个拟声词写在一张单独的纸上，随机呈现，参与者需读出并评分，回答时间不限。这些拟声词如“zara - zara”等，大多具有双音节重复形式。
- 结果 ：对所有参与者的评分值进行平均，通过主成分分析生成分布图。该图显示了日语使用者对触觉感觉的分类方式。例如，表达粗糙度的“jari - jari”和“zara - zara”位于左上区域，表达光滑度的“tsuru - tsuru”和“sube - sube”位于右下区域；表达硬度的词在左下区域，表达柔软度的词在右上区域；表达湿润的词在中间右侧区域，表达干燥的词在中间左侧区域。此外，图中词的接近程度还表明了词的音位相似性。
- 实验二：可视化触觉材料关系
- 材料与方法 ：选取39种材料，包括织物、纸张、金属、皮革、橡胶和塑料等，将其初步分为8组。让30名二十多岁的参与者（15男15女）在看不到材料的情况下触摸材料，评估其舒适度，并根据拟声词的印象在分布图上确定材料的位置。材料附着在7cm x 7cm的卡片上，参与者坐在有8cm x 10cm洞的盒子前，将手伸进盒子触摸材料，每次触摸一种材料，在30秒内完成舒适度评估和位置确定。
- 结果 ：根据参与者的回答，将材料绘制在分布图上。结果表明，触觉感觉相似的材料在图中位置相近，说明拟声词的分布能正确反映材料产生的触觉感觉的相似性。同时，材料的舒适度也与图中词的分布相关，舒适的材料主要位于右下区域。具体各材料组的情况如下表所示：
| 组号 | 材料数量 | 材料 | 舒适度平均水平 | 对应拟声词首音节区域 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| A | 2 | 双面胶带正反面 | -1.50 | /be/ |
| B | 4 | 丝瓜络纹理、人造草皮、刷子和魔术贴（钩面） | -0.83 | /to/ |
| C | 7 | 硬泡沫板、网状不锈钢、砂纸（80、240和600目）、防滑橡胶和皮革 | -0.23 | /za/ |
| D | 3 | 不平的网状不锈钢、纸板（侧面）和原木表面 | -0.20 | /go/和/bo/ |
| E | 4 | 聚氨酯泡沫、羊皮围巾、羊毛皮和魔术贴（正面） | +1.61 | /fu/ |
| F | 7 | 软木板、高品质纸张、日本纸、纸板、轻木、绒面革（背面）和黑板 | +1.04 | /sa/ |
| G | 5 | 橡胶、口香糖、硅橡胶、减震海绵和凝胶 | +0.35 | 分布较分散 |
| H | 7 | 铝板、玻璃瓷砖、亚克力板、鹅卵石、光面纸、盘子和粉笔 | +1.28 | /su/和/tsu/ |

以下是该研究的流程mermaid图：

graph LR
    A[实验一] --> B[选取42个拟声词]
    B --> C[20名参与者评分]
    C --> D[生成拟声词分布图]
    E[实验二] --> F[选取39种材料分组]
    F --> G[30名参与者触摸评估]
    G --> H[绘制材料在图上的位置]

基于磁流变液的新型微型动觉执行器

目前，大多数触觉研究集中在开发微型触觉执行器，而微型动觉执行器的研究相对较少。研究人员提出了一种基于磁流变液（MR fluids）的微型触觉执行器，即动觉执行器。
- 工作原理与优势 ：人类在感知物体时，通常会进行摩擦（触觉）和按压（动觉）动作。该执行器能传达各种动觉感觉，通过在触觉感觉中加入动觉感受，为用户提供更身临其境和生动的触觉体验。
- 实验评估 ：构建了原型执行器后，通过改变输入电流评估其在阻力方面的性能。实验结果表明，该执行器能够提供丰富的动觉感觉，大大增强了真实的触觉体验。

综上所述，这些研究成果为深入理解触觉感知、优化触觉交互体验提供了新的思路和方法。在未来，还可以进一步研究接触力和扫描速度对皮肤振动的影响，以及皮肤振动与触觉感知之间的关系；同时，探索该方法在其他语言中的应用，评估个体和文化差异对触觉感知的影响。

触觉感知研究新进展：传感器、可视化与执行器技术探索

研究成果总结与对比

为了更清晰地对比各项研究成果，我们将其关键信息总结在下表中：
| 研究项目 | 研究内容 | 主要成果 |
| ---- | ---- | ---- |
| 手指安装式皮肤振动传感器 | 使用加速度计测量主动触摸时的皮肤振动 | 传感器有效，皮肤振动随粗糙度增加，输出包含个体特征 |
| 利用拟声词可视化触觉材料关系 | 用日语拟声词对触觉纹理感觉分类 | 生成拟声词分布图，能反映触觉材料关系和舒适度 |
| 基于磁流变液的新型微型动觉执行器 | 开发基于MR流体的微型动觉执行器 | 能提供丰富动觉感觉，增强真实触觉体验 |

从这个表格中可以看出，不同的研究方向各有侧重，但都围绕着提升对触觉感知的理解和应用。手指安装式皮肤振动传感器侧重于对皮肤振动这一微观层面的研究，为深入了解触觉感知的生理机制提供了数据支持；利用拟声词可视化触觉材料关系则从语言和主观感受的角度出发，为触觉材料的分类和比较提供了一种新颖的方法；而基于磁流变液的新型微型动觉执行器则着眼于实际的应用，致力于为用户提供更真实的触觉体验。

未来研究方向展望

虽然上述研究已经取得了显著的成果，但仍有许多方面值得进一步探索。以下是一些可能的未来研究方向：
1. 皮肤振动相关研究
- 深入研究接触力和扫描速度对皮肤振动的影响。目前的研究已经发现皮肤振动与粗糙度有关，但接触力和扫描速度这两个因素在实际触摸过程中也起着重要作用。可以设计更精确的实验，控制接触力和扫描速度的变量，观察皮肤振动的变化规律。
- 探索皮肤振动与触觉感知之间的具体关系。了解皮肤振动是如何被大脑解读为不同的触觉感知，有助于开发更精准的触觉反馈技术。
2. 拟声词方法拓展
- 研究该方法在其他语言中的应用。不同语言的拟声词体系可能存在差异，将这种分类方法推广到其他语言中，可以验证其普遍性和有效性。
- 评估个体和文化差异对触觉感知和拟声词理解的影响。不同个体和文化背景的人对触觉的感受和对拟声词的理解可能不同，这方面的研究有助于更全面地了解触觉感知的多样性。
3. 动觉执行器优化
- 进一步优化基于磁流变液的微型动觉执行器的性能。可以研究如何更精确地控制阻力，提高执行器的响应速度和稳定性。
- 探索该执行器在更多领域的应用，如虚拟现实、远程操作等，为这些领域提供更真实的触觉反馈。

以下是未来研究方向的mermaid图：

graph LR
    A[未来研究方向] --> B[皮肤振动研究]
    A --> C[拟声词方法拓展]
    A --> D[动觉执行器优化]
    B --> B1[研究接触力和扫描速度影响]
    B --> B2[探索与触觉感知关系]
    C --> C1[应用于其他语言]
    C --> C2[评估个体和文化差异]
    D --> D1[优化执行器性能]
    D --> D2[拓展应用领域]

实际应用场景与潜力

这些研究成果在多个领域具有广阔的应用前景：
1. 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）领域
- 手指安装式皮肤振动传感器可以为VR/AR设备提供更真实的触觉反馈。例如，当用户在虚拟环境中触摸不同粗糙度的物体时，传感器可以检测到皮肤振动的变化，并将其转化为相应的反馈信号，让用户感受到更逼真的触觉体验。
- 基于磁流变液的微型动觉执行器可以模拟物体的阻力和弹性，增强用户在虚拟环境中的沉浸感。比如，当用户拿起虚拟物体时，执行器可以提供相应的阻力，让用户感觉就像在现实中拿起物体一样。
2. 产品设计与用户体验
- 利用拟声词可视化触觉材料关系的方法可以帮助设计师更好地理解用户对不同材料的触觉感受。设计师可以根据拟声词分布图选择合适的材料，优化产品的触觉设计，提高用户的满意度。
- 手指安装式皮肤振动传感器可以用于评估产品的触觉质量。通过测量用户触摸产品时的皮肤振动，分析产品的粗糙度、摩擦力等特性，为产品的改进提供依据。
3. 医疗康复领域
- 基于磁流变液的微型动觉执行器可以用于康复训练设备。例如，在手部康复训练中，执行器可以提供不同程度的阻力，帮助患者恢复手部肌肉的力量和灵活性。
- 手指安装式皮肤振动传感器可以监测患者皮肤的感觉功能恢复情况。通过比较患者在康复前后皮肤振动的变化，评估康复效果。

综上所述，这些关于触觉感知的研究成果不仅在理论上有重要意义，而且在实际应用中具有巨大的潜力。随着研究的不断深入和技术的不断发展，我们有望在未来看到更多基于触觉感知的创新产品和应用，为人们的生活带来更多便利和乐趣。