本文關(guān)鍵詞：皮膚摩擦觸覺感知的機(jī)理研究

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【摘要】：皮膚摩擦觸覺感知的機(jī)理研究是分析皮膚生理學(xué)與物體表面屬性之間的關(guān)系,是研究人類的觸覺的基礎(chǔ),在仿生皮膚開發(fā)、觸覺學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)等方面都有著重要意義。本文從研究最基本的觸覺感知器官——皮膚的納米摩擦行為開始,繼而模擬人手指在探索物體表面時(shí)振動(dòng)覺,最后通過認(rèn)知科學(xué)的腦電實(shí)驗(yàn)將皮膚摩擦與大腦認(rèn)知建立了聯(lián)系。主要方法和結(jié)論如下:第一部分,皮膚的納米摩擦行為研究了動(dòng)物皮膚和人工皮膚兩類皮膚材料。動(dòng)物皮膚的納米摩擦行為研究是使用AFM和納米壓痕儀從納米尺度和宏觀尺度上,把大鼠和豬的正常皮膚、損傷皮膚、涂覆皮膚作為實(shí)驗(yàn)樣本考察了他們的摩擦行為及其區(qū)別。同時(shí),也探究了速度、載荷、環(huán)境相對濕度等工況條件對摩擦行為的影響。納米尺度下,豬皮膚要比大鼠皮膚、損傷皮膚要比正常皮膚的納米硬度、彈性模量、接觸角、粗糙度大、摩擦系數(shù)大;隨著速度、法向載荷的增加,摩擦系數(shù)減小;相對濕度增加的情況下摩擦系數(shù)增大。宏觀尺度下,損傷皮膚與正常皮膚的摩擦系數(shù)相差不大;涂覆皮膚比未涂覆皮膚摩擦系數(shù)稍大;工況條件速度和掃描周期對摩擦系數(shù)影響不大;法向載荷增大時(shí)摩擦系數(shù)顯著減小。研究兩種人工皮膚納米尺度下的機(jī)械特性和摩擦行為,并與大鼠和豬的皮膚相比較。研究發(fā)現(xiàn)人工皮膚-2與大鼠皮膚、豬皮膚的硬度值接近。人工皮膚-2的彈性模量小于水化人工皮膚-1、大鼠皮膚、豬皮膚。干燥人工皮膚-1的硬度和彈性模量大于大鼠損傷皮膚、豬損傷皮膚。兩種人工皮膚大和鼠皮膚、豬皮膚有著相似的膜厚、粘著力、摩擦系數(shù)、表面粗糙度、波峰-波谷距離,以及接觸角。涂覆護(hù)膚霜后,性質(zhì)改變也類似:表面粗糙度、波峰-波谷距離,接觸角減小;粘著力、膜厚、摩擦系數(shù)增加。因此從表面特性和摩擦特性來看,水化人工皮膚-1和人工皮膚-2是正常動(dòng)物皮膚的理想替代品。而干燥人工皮膚-1與大鼠損傷皮膚、豬損傷皮膚類似。第二部分,利用主觀觸覺感知與客觀測量相對比的方法,從機(jī)械視角探討了摩擦觸覺感知過程中皮膚對摩擦、振動(dòng)的感知標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)制。首先進(jìn)行了主觀觸覺感知實(shí)驗(yàn),包括:粗糙-光滑、稀疏-細(xì)密、復(fù)雜-均一度。然后,利用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)與仿生手指采集摩擦與振動(dòng)信號。將提取的特征值與主觀觸覺感知實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相對比,討論了觸覺感知與物體表面特征參數(shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)與主觀觸覺感知實(shí)驗(yàn)中表面舒適度的關(guān)系一致相關(guān)。由振動(dòng)信號提取的特征值——峰值均值、平均功率、峰值比例、功率譜重心、香農(nóng)熵等參數(shù)與主觀觸覺感知維度對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn):峰值均值、峰值比例不能很好地去描述主觀感知維度;平均功率可以描述粗糙-光滑維度;功率譜重心可以描述稀疏-平滑維度;香農(nóng)熵可以描述復(fù)雜-均一維度。第三部分,皮膚摩擦誘發(fā)的大腦刺激電位的測量與分析。為了討論人在探索物體表面時(shí)受體表面摩擦屬性刺激而引起的腦電變化,首先進(jìn)行了摩擦誘發(fā)的事件相關(guān)電位測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過Neuroscan 64導(dǎo)事件相關(guān)電位采集系統(tǒng)來采集腦電信號,采用Oddball經(jīng)典范式與范式變式來誘發(fā)P3電位,觀察摩擦誘發(fā)的事件相關(guān)電位的認(rèn)知成分P3的潛伏期和峰值特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),人手指在受到摩擦阻力大小不同的刺激時(shí),其ERPs的P3的潛伏期和峰值也不同,證明事件相關(guān)電位是觀測這一變化的理想手段,且Oddball范式變式更適合考察由摩擦刺激引起的事件相關(guān)電位變化。繼而,利用三軸力傳感器測量摩擦系數(shù),與Neuroscan ERP系統(tǒng)采集的腦電信號相聯(lián)系,運(yùn)用Oddball范式變式考察了三種織物樣本誘發(fā)的事件相關(guān)電位P3的潛伏期和峰值大小。結(jié)果表明摩擦系數(shù)較大的織物樣本誘發(fā)的事件相關(guān)電位P3潛伏期小、峰值小,說明其被更快更容易識別。摩擦系數(shù)小的織物樣本則正好相反。本文從皮膚納米結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)、生物摩擦學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)、心理物理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等方面探索了皮膚摩擦觸覺感知機(jī)理。涉及到很多學(xué)科的知識和理論,研究成果可為類人機(jī)器人觸覺仿真皮膚、活體皮膚測試替代品、產(chǎn)品觸覺質(zhì)感定量評定、觸膚產(chǎn)品的舒適度、精細(xì)觸覺反饋、觸覺仿生等提供重要技術(shù)支持和理論支撐。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R339.11

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本文編號：1294602