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如何模拟柔软度

有一天,材料设计技巧和方程可以帮助研究人员为触觉界面重建不同的柔软感

uc san diego研究人员专门设计了一套材料来模仿不同程度的感知柔软度。照片来自david baillot / uc san diego jacobs工程学院

什么因素会影响人类触摸感觉柔软度,比如用指尖压住棉花糖,粘土或橡皮球的感觉?通过详细探讨这个问题,加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一个工程师和心理学家团队发现了巧妙的技巧来设计复制不同程度感知柔软度的材料。

这些发现为设计触觉材料和触觉界面提供了基本的见解,可以为电子皮肤,假肢和医疗机器人等应用创造真实的触感。研究人员在八月份详细介绍了他们30期 科学进步.

“我们提供了一个重新创造一系列柔软度的公式。在这样做的过程中,我们正在帮助弥合在重新创建触摸的某些方面所需要的差距,“查尔斯·迪恩说,他是uc san diego的博士后研究员,现在是材料科学的助理教授。特拉华大学的生物医学工程。 dhong与uc san diego的纳米工程教授darren lipomi以及该研究的共同作者合作。

根据他们的实验结果,研究人员创建了方程式,可以根据材料厚度,杨氏模量(材料刚度的度量)和微图案区域计算材料的柔软或硬度。方程也可以反过来计算,例如,材料需要多厚或微图案才能感觉到一定程度的柔软度。

“有趣的是,我们发现了两种新的方法来调整物体的感知柔软度 - 微图案和改变厚度,”dhong说。 “年轻的模量是科学家通常在软或硬的方面转向的。这是一个因素,但现在我们证明它只是方程式的一部分。“

重塑柔软

研究人员首先检查了工程师用来测量材料感知柔软度的两个参数:压痕深度(指尖压入材料的深度)以及指尖和材料之间的接触面积。通常,当指尖压入物体时,这些参数都会同时变化。例如,触摸一块软橡胶,接触区域将增加指尖压入的深度。

dhong,lipomi及其同事很好奇压痕深度和接触面积如何独立地影响柔软感。为了回答这个问题,他们专门设计了将两个参数分离的材料,然后在人体上进行了测试。

研究人员创造了九种不同的弹性板,每种弹性板都有自己独特的压痕深度与接触面积之比。板坯表面的微图案数量,厚度和杨氏模量不同。

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微图案表面的显微镜图像。图片由lipomi lab提供

微图案是设计的关键。它由点缀在板坯表面上的凸起的微柱支柱组成。这些微小的支柱允许指尖在不改变接触面积的情况下更深地按压。这类似于按压针式玩具的金属针脚,其中针阵列滑入和滑出以产生3d印象。

“通过创造这些微图案化的表面结构,我们产生不连续的接触区域,其中手指按压的位置远小于它在表面上施加的阴影,”lipomi说。

该团队对15名受试者进行了测试,并指示他们执行两项任务。在第一项任务中,他们向受试者展示了多对平板,并要求他们识别每对中较软的一对。在第二项任务中,研究人员让受试者将九块板块从最柔软到最硬。

总体而言,受试者感觉较软的厚板较厚,表面几乎没有微图案,并且具有较低的杨氏模量。同时感觉更硬的板坯更薄,具有更多的微图案和高的杨氏模量。

柔软度:触感的基本成分

实验也使研究人员得出了一个有趣的结论:对柔软的感知是一种基本的感觉,而不是其他感觉的结合。

“这意味着柔软是人类触觉的主要成分。这就像我们如何为彩色显示屏制作rgb,“Lipomi说。 “如果我们能找到其他'触摸像素',我们可以将它们组合起来制作我们想要的任何触觉图像吗?这些是我们想要了解的基本事物。“

论文题目:“压痕深度和接触面积对人体对触觉界面柔软感的作用。”共同作者包括rachel miller,nicholas root,sumit gupta,laure v.kayser,cody w。木匠,肯尼思loh和vilayanur s。 ramachandran,全都在圣地亚哥。

这项工作得到了国家卫生研究院院长的新创新奖(授权1dp2eb022358)和海军研究办公室(授权n00014-18-1-2483)的支持。


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