Uchwycenie zmysłu dotyku może ulepszyć protetykę i nasze cyfrowe życie

W większość poranków Jeremy D. Brown zjada awokado. Najpierw jednak lekko je ściska. Dojrzałe awokado ugnie się pod tym naciskiem, ale nie za bardzo. Brown mierzy również wagę owocu w dłoni i czuje woskową skórkę z jej wypustkami i grzbietami.

„Nie wyobrażam sobie, żebym nie miał zmysłu dotyku, aby móc zrobić coś tak prostego, jak ocena dojrzałości tego awokado” – mówi Brown, inżynier mechanik, który na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, bada dotykowe sprzężenie zwrotne – w jaki sposób informacje są pozyskiwane lub przekazywane za pomocą dotyku.

Wielu z nas myślało o dotyku częściej niż zwykle podczas pandemii COVID-19. Uściski i przybijanie piątki rzadko zdarzają się obecnie poza domem. Gwałtowny wzrost zakupów online oznacza mniejsze szanse na dotknięcie rzeczy przed zakupem. Wiele osób zrezygnowało z podróży, takich jak wizyty na plaży, gdzie mogli przesiać piasek przez palce. W każdym z tych działań dużo się dzieje.

„Za każdym razem, gdy czegokolwiek dotykamy, nasze doświadczenie percepcyjne jest wytworem aktywności tysięcy włókien nerwowych i milionów neuronów w mózgu” – mówi neurobiolog Sliman Bensmaia z University of Chicago. Naturalny zmysł dotyku ciała jest niezwykle złożony. Receptory nerwowe wykrywają wskazówki dotyczące nacisku, kształtu, ruchu, tekstury, temperatury i nie tylko. Te sygnały powodują wzorce aktywności neuronalnej, które są interpretowane przez centralny układ nerwowy, abyśmy mogli stwierdzić, czy coś jest gładkie czy szorstkie, mokre czy suche, poruszające się czy nieruchome.

Naukowcy z University of Chicago przymocowali paski różnych materiałów do obracającego się bębna, aby zmierzyć wibracje wytwarzane przez skórę, gdy różne tekstury przesuwają się po opuszkach palców człowieka. MATT WOOD / UNIV. CHICAGO

Neuronauka jest sercem badań nad dotykiem. Jednak inżynierowie mechanicy, tacy jak Brown i inni, wraz z ekspertami w dziedzinie matematyki i materiałoznawstwa badają dotyk, mając na celu przełożenie nauki na pomocne aplikacje. Naukowcy mają nadzieję, że ich praca doprowadzi do nowych i ulepszonych technologii naśladujących wrażenia dotykowe.

W miarę jak naukowcy i inżynierowie dowiadują się więcej o tym, jak nasz układ nerwowy reaguje na bodźce dotykowe, badają również, w jaki sposób nasza skóra wchodzi w interakcje z różnymi materiałami. Będą też potrzebowali sposobów, aby ludzie mogli wysyłać i odbierać symulowane wrażenia dotykowe. Wszystkie te wysiłki wiążą się z wyzwaniami, ale postępy są widoczne. W najbliższym czasie osoby, które straciły kończyny, mogą odzyskać zmysł dotyku dzięki sztucznym kończynom. W dłuższej perspektywie badania nad dotykiem mogą wzbogacić zakupy internetowe o funkcje dotykowe, umożliwić nowe formy medycyny na odległość i rozszerzyć świat wirtualnej rzeczywistości.

Pozytywne Wibracje

Programy wirtualnej rzeczywistości już teraz pozwalają użytkownikom poczuć, jak to jest wędrować po Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub przemierzać szyb gazu ziemnego. Aby dotyk mógł stać się częścią takich doświadczeń, badacze będą musieli odtworzyć sygnały, które wywołują wrażenia dotykowe.

Nasze ciała pokryte są zakończeniami nerwowymi, które reagują na dotyk, a nasze ręce są naprawdę obciążone, zwłaszcza koniuszki palców. Niektóre receptory określają, gdzie znajdują się nasze części ciała w stosunku do reszty ciała. Inni odczuwają ból i temperaturę. Jednym z celów badaczy dotyku jest naśladowanie wrażeń wynikających z siły i ruchu, takich jak nacisk, poślizg lub tarcie.

„Za każdym razem, gdy wchodzisz w interakcję z jakimś przedmiotem, Twoja skóra deformuje się” lub lekko zgniata, wyjaśnia Bensmaia. Naciśnij wypukłe kropki litery Braille’a, a kropki wbiją się w Twoją skórę. Śliska szklanka prześlizgująca się przez palce wytwarza siłę ścinającą – i prawdopodobnie rozbije się. Pocieraj materiał między palcami, co spowoduje wibracje.

Cztery główne kategorie receptorów dotykowych reagują na te i inne bodźce mechaniczne. Niektóre typy pokrywają się. Bensmaia zauważa, że ​​pojedynczy kontakt z obiektem może wpływać na wiele typów receptorów.

Jeden rodzaj, zwany ciałkami Pacinian, znajduje się głęboko w skórze. Są szczególnie dobre w wykrywaniu wibracji powstających podczas interakcji z różnymi teksturami. Po stymulacji receptory wytwarzają sekwencje sygnałów, które docierają do mózgu przez pewien okres czasu. Nasze mózgi interpretują sygnały jako określoną teksturę. Bensmaia porównuje to do sposobu, w jaki słyszymy serię nut i rozpoznajemy melodię.

Głębokie uczucia

Na mechaniczną stymulację skóry odpowiadają cztery główne typy receptorów dotykowych: ciałka Meissnera, komórki Merkela, zakończenia Ruffiniego i ciałka Pacinian. Niektórzy lepiej reagują na określone rodzaje bodźców niż inni. Niedawne badania skupiły się na głębokich ciałkach Pacinian, które reagują na wibracje powstające, gdy palce ocierają się o teksturowane materiały.

„Sztruks będzie wytwarzał jeden zestaw wibracji. Organza wyprodukuje kolejny zestaw”- mówi Bensmaia. Każda tekstura wytwarza „inny zestaw wibracji w skórze, które możemy zmierzyć”. Takie pomiary są pierwszym krokiem w kierunku odtworzenia wrażenia z różnych tekstur.

Dodatkowo, każdy bodziec, który ma naśladować wrażenie tekstury, musi być wystarczająco silny, aby wywołać reakcje w receptorach dotykowych układu nerwowego. Tu właśnie wkracza praca naukowców z University of Birmingham w Anglii. Wibracje wynikające z kontaktu z różnymi teksturami wytwarzają różne rodzaje energii falowej. Fale typu toczącego się zwane falami Rayleigha sięgają wystarczająco głęboko, aby dotrzeć do receptorów Pacinian – poinformował zespół w październiku ubiegłego roku w Science Advances. Znacznie większe wersje tych samych typów fal powodują wiele szkód spowodowanych trzęsieniami ziemi.

Nie wszystkie dotknięcia są wystarczająco silne, aby wywołać reakcję receptorów Pacinian. Aby uzyskać więcej informacji na temat interakcji stymulujących te receptory, zespół przyjrzał się badaniom, w ramach których zgromadzono dane dotyczące dotykania kończyn, głowy lub szyi psów, delfinów, nosorożców, słoni i innych ssaków. Pojawił się wzór. Grupa nazywa to „uniwersalnym prawem skalowania” dotyku dla ssaków.

W większości przypadków dotknięcie powierzchni wywoła reakcję w receptorze Pacinian głęboko w skórze, jeśli stosunek między długością fal Rayleigha wynikających z dotyku a głębokością receptora wynosi 5 do 2. Przy takim lub wyższym współczynniku osoba i większość innych ssaków odczuje to uczucie, mówi matematyk James Andrews, główny autor badania.

Uniwersalność dotyku

Wzór dotyczący stosunku długości fal Rayleigha poruszających się przez skórę podczas dotykania obiektu i głębokości receptorów dotykowych Pacinian sugeruje, że taka sama wielkość deformacji skóry kilku różnych ssaków, z wyjątkiem gryzoni, wywoła podobne odczucia.

Stosunek długości fali Rayleigha do głębokości receptora dotykowego u różnych ssaków

Stwierdzono również, że wielkość przemieszczenia skóry potrzebna do wywołania fal o długości wystarczającej do wywołania wrażenia receptorów Pacinian będzie taka sama u większości gatunków ssaków. Jednak różne gatunki będą potrzebować większej lub mniejszej siły, aby spowodować to przemieszczenie, co może zależeć od składu skóry lub innych czynników. Andrews zauważa, że ​​gryzonie nie pasowały do ​​proporcji 5–2, być może dlatego, że ich łapy i kończyny są tak małe w porównaniu z długością fal powstałą podczas dotykania przedmiotów.

Poza tym praca rzuca światło na „jakiego rodzaju informacje byłyby potrzebne, aby realistycznie uchwycić wrażenia dotykowe i wysłać je cyfrowo w dowolne miejsce” – mówi Andrews. Ludzie mogliby wtedy odczuwać doznania za pomocą urządzenia lub być może za pomocą fal ultradźwiękowych. Pewnego dnia badania mogą pomóc w zapewnieniu szerokiej gamy doświadczeń związanych z wirtualną rzeczywistością, w tym wirtualnych uścisków.

Internetowe zakupy dotykowe

Inżynier mechanik Cynthia Hipwell z Texas A&M University w College Station przeprowadziła się do nowego domu przed pandemią. Spojrzała na kilka kanap w Internecie, ale nie mogła się zmusić do zakupu jednej z nich z witryn internetowych. „Nie chciałam wybierać tkaniny na kanapę bez jej dotknięcia” – mówi Hipwell.

„Idealnie byłoby, gdyby na dłuższą metę robiąc zakupy na Amazonie, czułbyś materiał” – mówi. Kody komputerowe stron internetowych powodowałyby, że pewne obszary na ekranie naśladowałyby różne tekstury, być może z uwzględnieniem zmian ładunku elektrycznego, sygnałów wibracyjnych, ultradźwięków lub innych metod. Dotknięcie ekranu podpowie Ci, czy sweter jest miękki, czy szorstki, albo czy tkanina na kanapie jest nierówna lub gładka. Zanim to się stanie, naukowcy muszą zrozumieć warunki, które wpływają na nasze postrzeganie wrażeń na ekranie komputera.

Cechy powierzchni w skali nanometrowej (miliardowe części metra) mogą wpływać na to, jak postrzegamy teksturę kawałka szkła, mówi Hipwell. Podobnie możemy nie odczuwać świadomie wilgoci, ponieważ wilgoć w powietrzu miesza się z tłuszczem i potem na naszej skórze. Jednak niewielkie zmiany w tej wilgoci mogą zmienić tarcie, z jakim borykają się nasze palce, gdy poruszają się po ekranie, mówi. A to tarcie może wpływać na to, jak postrzegamy teksturę ekranu.

Zmiany ładunku elektrycznego mogą również zmienić przyciąganie między palcem a ekranem dotykowym. Ta atrakcja nazywana jest elektroadhezją i wpływa na nasze wrażenia dotykowe, gdy dotykamy ekranu. Grupa Hipwell niedawno opracowała model komputerowy, który wyjaśnia skutki elektroadhezji, wilgoci i deformacji skóry naciskającej na szkło. Zespół poinformował o pracach w marcu 2020 r. w IEEE Transactions on Haptics.

Hipwell ma nadzieję, że model może pomóc projektantom produktów w opracowaniu ekranów dotykowych, które wykraczają poza zakupy online. Sugeruje, że skomputeryzowana deska rozdzielcza samochodu może mieć sekcje, które zmieniają teksturę w każdym menu. Kierowca mógłby dotykiem zmieniać temperaturę lub ustawienia radia, nie odrywając wzroku od drogi.

Bezprzewodowe naszywki dotykowe

Liczba wizyt telemedycznych wzrosła dramatycznie w pierwszych dniach pandemii COVID-19. Ale wideo nie pozwala lekarzom wyczuć obrzęku gruczołów ani naciskać na brzuch, aby sprawdzić, czy nie ma guzków. Medycyna zdalna z zmysłem dotyku może pomóc podczas pandemii, takich jak ta – i długo po tym dla ludzi z odległych obszarów, z niewielką liczbą lekarzy.

Ludzie w tych miejscach mogą w końcu mieć sprzęt do teledetekcji we własnych domach, aptece lub miejscu pracy. Jeśli będzie to wykonalne, robot, rękawica lub inny sprzęt z czujnikami może dotknąć części ciała pacjenta. Informacje byłyby przekazywane do innego urządzenia. Lekarz znajdujący się w tym innym miejscu mógłby wtedy doświadczyć wrażeń dotykania pacjenta.

Naukowcy już pracują nad materiałami, które mogą przełożyć cyfrowe informacje o dotyku na doznania, które ludzie – w tym przypadku lekarze – mogą odczuwać. Te same materiały mogą przekazywać informacje dotyczące zastosowań rzeczywistości wirtualnej. Jedną z możliwości jest plaster na skórę opracowany przez fizykochemika Johna Rogersa z Northwestern University w Evanston w stanie Illinois.

Jedna warstwa elastycznego plastra przykleja się do skóry pacjenta. Pozostałe warstwy zawierają rozciągliwą płytkę drukowaną i maleńkie siłowniki, które wytwarzają wibracje, gdy przepływa wokół nich prąd. Sygnały bezprzewodowe informują siłowniki o włączeniu lub wyłączeniu. Energia potrzebna do uruchomienia plastra jest również dostarczana bezprzewodowo. Zespół opisał plaster w Nature w 2019 roku.

Emerytowany sierżant armii amerykańskiej Garrett Anderson podaje rękę badaczowi Aadeelowi Akhtarowi, prezesowi Psyonic, twórcy protez. Bezprzewodowa łatka na skórze na ramieniu Andersona daje mu sensoryczną informację zwrotną podczas chwytania przedmiotu. NORTHWESTERN UNIV.

 

Wewnątrz plastra znajdują się okrągłe siłowniki, które wibrują w odpowiedzi na sygnały. Prototypowe urządzenie może wywoływać wrażenie ucisku dotykowego w sztucznych kończynach, w rzeczywistości wirtualnej i telemedycynie.

Od tego czasu grupa Rogersa zmniejszyła grubość i wagę plastra. Łatka zapewnia teraz bardziej szczegółowe informacje użytkownikowi. „Skalowaliśmy systemy do postaci modułowej, aby umożliwić niestandardowe rozmiary [i] kształty w swego rodzaju schemacie plug-and-play” – zauważa Rogers. Do tej pory do sześć oddzielnych plastrów może działać jednocześnie na różnych częściach ciała.

Grupa chce również, aby ich technologia współpracowała z elektroniką, którą posiada wielu konsumentów, na przykład smartfonami. W tym celu Rogers i współpracownicy opracowali wrażliwy na nacisk interfejs ekranu dotykowego do wysyłania informacji do urządzenia. Interfejs umożliwia wywoływanie wrażeń dotykowych przez poruszanie palcami po ekranie smartfona lub ekranu komputera z ekranem dotykowym. Osoba nosząca plaster odczuwa wtedy głaskanie, stukanie lub inne wrażenia dotykowe.

Punkty nacisku

Ponadto zespół Rogersa opracował sposób wykorzystania systemu łatek do wychwytywania sygnałów z nacisku na opuszki palców protezy. Sygnały te mogą być następnie przekazywane do plastra noszonego przez osobę ze sztuczną kończyną. Inni badacze również testują sposoby dodawania dotykowego sprzężenia zwrotnego do protez. Europejscy naukowcy poinformowali w 2019 r., że dodanie informacji zwrotnej na temat nacisku i ruchu pomogło osobom ze sztuczną nogą chodzić z większą pewnością siebie. Urządzenie zmniejszyło również ból kończyny fantomowej.

Brown, inżynier mechanik w Johns Hopkins, ma nadzieję pomóc ludziom kontrolować siłę ich sztucznych kończyn. Zauważa, że ​​osoby zdrowe odruchowo dostosowują siłę swoich rąk. Często bierze swoją córkę za rękę, gdy są na parkingu. Jeśli zacznie się odsuwać, delikatnie ściska. Ale mógłby ją łatwo skrzywdzić, gdyby nie wyczuł sztywności jej ciała i kości.

Dwa rodzaje protez kończyn pozwalają osobom, które straciły rękę, ponownie wykonywać określone ruchy. Ręce na ,,sterowanych przez ciało” kończynach otwierają się lub zamykają, gdy użytkownik porusza innymi grupami mięśni. Ruch działa za pomocą kabla na uprzęży, która łączy się z ręką. Siła działająca na inne mięśnie mówi osobie, czy dłoń jest otwarta, czy zamknięta. Natomiast kończyny protetyczne mioelektryczne są bezpośrednio kontrolowane przez mięśnie kikuta. Te sterowane przez mięśnie elektroniczne kończyny generalnie nie dają żadnej informacji zwrotnej na temat dotyku. Jednak w porównaniu z opcjami kontrolowanymi przez ciało pozwalają one na większy zakres ruchu i mogą oferować inne zalety.

W jednym z badań grupa Browna przetestowała dwa sposoby dodawania informacji zwrotnej o sile które sterowana mięśniowo elektroniczna kończyna wywiera na obiekt. Jedna z metod wykorzystywała egzoszkielet, który wywierał siłę na łokieć osoby. Inna technika wykorzystywała urządzenie przypięte w okolicy nadgarstka. Im sztywniejszy jest przedmiot, tym silniejsze są drgania na czyimś nadgarstku. Ochotnicy bez utraty kończyn próbowali wykorzystać każdą konfigurację do oceny sztywności bloków.

W badaniu dwóch różnych metod dotykowego sprzężenia zwrotnego jeden system przyłożył siłę w pobliżu łokcia. N. THOMAS I WSP. / J. NEUROENG. REHAB . 2019

Drugi testowany w badaniu system generował wibracje w okolicy nadgarstka. N. THOMAS I WSP. / J. NEUROENG. REHAB . 2019

Obie metody działały lepiej niż brak informacji zwrotnej. W porównaniu ze sobą te dwa rodzaje informacji zwrotnych „działały równie dobrze” – mówi Brown. „Uważamy, że dzieje się tak, ponieważ ostatecznie to, co robi użytkownik, to tworzenie mapy”. Zasadniczo ludzie dopasowują, jaka siła odpowiada intensywności każdego rodzaju sprzężenia zwrotnego. Praca sugeruje sposoby na poprawę elektronicznych kończyn kontrolowanych przez mięśnie, Brown i współpracownicy opisali w 2019 w Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation .

Pomocna opinia

Ochotnicy bez utraty kończyny nosili sztuczne przedramię z różnymi rodzajami dotykowego sprzężenia zwrotnego lub bez niego: jeden na łokciu, a drugi na nadgarstku. Uczestnicy porównali miękkość lub twardość różnych bloków. Oba rodzaje informacji zwrotnych poprawiły dokładność uczestników w ocenie sztywności podczas testów bez sprzężenia zwrotnego.

Wpływ sprzężenia zwrotnego na dokładność sztywności bloku czujnikowego

Mimo to mózgi ludzi mogą nie być w stanie dopasować wszystkich rodzajów informacji zwrotnych do wrażeń dotykowych. Grupa Bensmaia z Uniwersytetu w Chicago współpracowała ze szwedzkimi kolegami, którzy zbudowali czujniki dotykowe w bionicznych dłoniach: Sygnały z czujnika na kciuku trafiały do ​​elektrody wszczepionej wokół nerwu łokciowego na ramionach ludzi. Trzy osoby, które straciły rękę, przetestowały bioniczne dłonie i poczuły dotyk, gdy kciuk został szturchnięty, ale dotyk wydawał się, jakby pochodził z innego miejsca na dłoni.

Lekarze mogą wybrać, który nerw będzie stymulować elektroda. Ale nie wiedzą z góry, na które wiązki włókien wpłynie on w obrębie nerwu, wyjaśnia Bensmaia. Różne zestawy odbierają i dostarczają wrażenia do różnych części dłoni. Nawet po tym, jak ludzie używali protezy przez ponad rok, niedopasowanie nie uległo poprawie. Mózg nie przystosował się do korygowania tego wrażenia. Zespół podzielił się swoimi odkryciami w grudniu ubiegłego roku w Cell Reports.

Mimo to we wcześniejszych badaniach te same osoby korzystające z bionicznych dłoni miały lepszą precyzję i większą kontrolę nad swoją siłą podczas chwytania przedmiotów w porównaniu z osobami używającymi wersji bez bezpośredniej stymulacji nerwu. Osoby otrzymujące bezpośrednią stymulację nerwów również zgłaszały uczucie, jakby ręka była ich częścią.

Podobnie jak w przypadku rąk bionicznych, postęp w technologii dotykowej prawdopodobnie nie zacznie działać idealnie. Rzeczywiście, wirtualne uściski i inne symulowane doświadczenia dotykowe mogą nigdy nie być tak dobre, jak prawdziwe. Jednak dotyk może pomóc nam wczuć się w przyszłość, oferując nowe sposoby odkrywania świata i pozostawania w kontakcie z tymi, których kochamy.

Źródło: Kathiann Kowalski

X. Yu et al. Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtual and augmented realityNature. Vol. 575, November 20, 2019, p. 473. doi: 10.1038/s41586-019-1687-0.

M. Ortiz-Catalan. Chronic use of a sensitized bionic hand does not remap the sense of touchCell Reports. Vol. 33, December 22, 2020. doi: 10.1016/j.celrep.2020.108539.

X. Li et al. Electrowetting: A consideration in electroadhesionIEEE Transactions on Haptics. Vol. 13, July – August  2020, p. 522. doi: 10.1109/TOH.2020.2979439.

C. Greenspon et al. Effect of scanning speed on texture-elicited vibrationsJournal of the Royal Society Interface. Vol. 17, June 10, 2020. doi: 10.1098/rsif.2019.0892.

X. Yu et al. Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtual and augmented realityNature. Vo. 575, November 20, 2019, p. 473.

N. Thomas et al. Comparison of vibrotactile and joint-torque feedback in a myoelectric upper-limb prosthesisJournal of NeuroEngineering and Rehabilitation. Vol. 16, June 11, 2019. doi: 10.1186/s12984-019-0545-5.

F.M. Petrini et al. Sensory feedback restoration in leg amputees improves walking speed, metabolic cost and phantom painNature Medicine. Published online September 9, 2019. doi: 10.1038/s41591-019-0567-3.

Zdjęcie: GETTY IMAGES PLUS

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x