人类触觉感知：材料特性、几何形状与物体识别

### 人类触觉感知：材料特性、几何形状与物体识别 在人类的感知世界中，触觉感知是一个复杂而又神奇的领域。它让我们能够通过触摸来感受物体的各种特性，包括材料属性和几何形状等。下面将深入探讨触觉感知的相关内容。 #### 1. 材料属性感知 触觉空间中物体（和表面）的感知可以分为对其不同触觉属性的感知，如材料和几何形状。材料属性与触觉的关联最为紧密，它包括表面属性和物体的重量。 ##### 1.1 粗糙度 - **感知机制**：感知到的粗糙度主要与相对均匀表面上凸起小元素之间的间距有关。在微观尺度（元素间距 <0.1 毫米），手指在表面相对移动产生的振动是感知不同粗糙度的主要原因，神经上涉及振动频率为 250 Hz 的快速适应皮肤感受器（FA 2）。在较大间距（约 3 - 8 毫米）时，编码主要是空间性的，在实验纹理中，如矩形凹槽，感觉到的粗糙度随凹槽宽度增加而显著增加，且几乎不依赖于与振动相关的参数。宏观尺度粗糙度编码似乎依赖于皮肤变形量，神经上与相邻缓慢适应皮肤感受器（SA 1）的活动差异有关。 - **显示实现**：高保真度的粗糙度显示可能需要实现两种机制，微观粗糙度需要易于实现的振动，宏观粗糙度则严重依赖于空间皮肤变形。实验结果表明，影响感知粗糙度的最有效因素可能是凸起元素之间的凹槽宽度（运动方向和垂直方向）和接触力，增强的剪切力似乎会降低感知到的粗糙度。 |粗糙度尺度|感知机制|神经相关|显示实现要点| | ---- | ---- | ---- | ---- | |微观尺度（<0.1 毫米）|手指移动产生的振动|FA 2|易于实现的振动| |宏观尺度（3 - 8 毫米）|空间性编码，依赖皮肤变形量|SA 1|空间皮肤变形| ```mermaid graph LR A[粗糙度感知] --> B[微观尺度] A --> C[宏观尺度] B --> D[振动感知] B --> E[FA 2 神经编码] C --> F[空间编码] C --> G[SA 1 神经编码] D --> H[振动实现显示] F --> I[皮肤变形实现显示] ``` ##### 1.2 柔软度/硬度 - **感知特点**：柔软度是表面顺应性的心理对应物。顺应性物体可分为刚性表面物体（如钢琴键）和可变形表面物体（如橡胶）。对柔软度的感知研究较少，一项重要研究表明，柔软度感知强烈依赖于皮肤输入，当表面可变形时，动觉输入对皮肤输入的补充作用不大；当表面刚性时，动觉和皮肤输入都需要，但性能远低于可变形表面。 - **显示挑战**：在触觉显示中，要获得丰富的柔软感可能需要手指垫上的空间皮肤变形。显示真正坚硬的表面是触觉设备技术中尚未解决的问题，模拟刚性墙所需的刚度约为 25 N/mm，但研究表明，较高范围内的感知硬度可能更取决于表面接触中力的动态初始变化率，而不是位置和反作用力的静态关系。 ##### 1.3 温度 - **感知特性**：温度通常被视为一种独立的感知方式，与热和冷的特定感受器有关。正常情况下，接近皮肤温度（约 33 度，因皮肤部位、个人等因素而异）的物体被归类为无明显感觉，较高温度为“温暖”，较低温度为“寒冷”。感知大多忽略并适应缓慢的皮肤温度变化，在皮肤温度低于 31 度和高于 36 度时，“寒冷”和“温暖”的感知会持续。快速温度变化时，小的差异也会引发相应报告，差异阈值取决于刺激的皮肤部位和暴露面积。 - **应用潜力**：温度刺激定位较差，一个手指垫感受到的温度会受到相邻手指垫温度的强烈调节，温暖比寒冷更容易传递且需要触摸成分。在虚拟触觉中，这些空间错觉可用于分离温度和触摸