皮肤摩擦触觉感知的机理研究

发布时间：2017-12-16 04:06

  本文关键词：皮肤摩擦触觉感知的机理研究

  更多相关文章： 皮肤 摩擦学 触觉感知 振动触觉 事件相关电位

【摘要】：皮肤摩擦触觉感知的机理研究是分析皮肤生理学与物体表面属性之间的关系,是研究人类的触觉的基础,在仿生皮肤开发、触觉学、虚拟现实、医学等方面都有着重要意义。本文从研究最基本的触觉感知器官——皮肤的纳米摩擦行为开始,继而模拟人手指在探索物体表面时振动觉,最后通过认知科学的脑电实验将皮肤摩擦与大脑认知建立了联系。主要方法和结论如下:第一部分,皮肤的纳米摩擦行为研究了动物皮肤和人工皮肤两类皮肤材料。动物皮肤的纳米摩擦行为研究是使用AFM和纳米压痕仪从纳米尺度和宏观尺度上,把大鼠和猪的正常皮肤、损伤皮肤、涂覆皮肤作为实验样本考察了他们的摩擦行为及其区别。同时,也探究了速度、载荷、环境相对湿度等工况条件对摩擦行为的影响。纳米尺度下,猪皮肤要比大鼠皮肤、损伤皮肤要比正常皮肤的纳米硬度、弹性模量、接触角、粗糙度大、摩擦系数大;随着速度、法向载荷的增加,摩擦系数减小;相对湿度增加的情况下摩擦系数增大。宏观尺度下,损伤皮肤与正常皮肤的摩擦系数相差不大;涂覆皮肤比未涂覆皮肤摩擦系数稍大;工况条件速度和扫描周期对摩擦系数影响不大;法向载荷增大时摩擦系数显著减小。研究两种人工皮肤纳米尺度下的机械特性和摩擦行为,并与大鼠和猪的皮肤相比较。研究发现人工皮肤-2与大鼠皮肤、猪皮肤的硬度值接近。人工皮肤-2的弹性模量小于水化人工皮肤-1、大鼠皮肤、猪皮肤。干燥人工皮肤-1的硬度和弹性模量大于大鼠损伤皮肤、猪损伤皮肤。两种人工皮肤大和鼠皮肤、猪皮肤有着相似的膜厚、粘着力、摩擦系数、表面粗糙度、波峰-波谷距离,以及接触角。涂覆护肤霜后,性质改变也类似:表面粗糙度、波峰-波谷距离,接触角减小;粘着力、膜厚、摩擦系数增加。因此从表面特性和摩擦特性来看,水化人工皮肤-1和人工皮肤-2是正常动物皮肤的理想替代品。而干燥人工皮肤-1与大鼠损伤皮肤、猪损伤皮肤类似。第二部分,利用主观触觉感知与客观测量相对比的方法,从机械视角探讨了摩擦触觉感知过程中皮肤对摩擦、振动的感知标准与机制。首先进行了主观触觉感知实验,包括:粗糙-光滑、稀疏-细密、复杂-均一度。然后,利用摩擦磨损实验机与仿生手指采集摩擦与振动信号。将提取的特征值与主观触觉感知实验的结果相对比,讨论了触觉感知与物体表面特征参数的关系。发现摩擦系数与主观触觉感知实验中表面舒适度的关系一致相关。由振动信号提取的特征值——峰值均值、平均功率、峰值比例、功率谱重心、香农熵等参数与主观触觉感知维度对比,结果发现:峰值均值、峰值比例不能很好地去描述主观感知维度;平均功率可以描述粗糙-光滑维度;功率谱重心可以描述稀疏-平滑维度;香农熵可以描述复杂-均一维度。第三部分,皮肤摩擦诱发的大脑刺激电位的测量与分析。为了讨论人在探索物体表面时受体表面摩擦属性刺激而引起的脑电变化,首先进行了摩擦诱发的事件相关电位测试实验。实验通过Neuroscan 64导事件相关电位采集系统来采集脑电信号,采用Oddball经典范式与范式变式来诱发P3电位,观察摩擦诱发的事件相关电位的认知成分P3的潜伏期和峰值特点。研究发现,人手指在受到摩擦阻力大小不同的刺激时,其ERPs的P3的潜伏期和峰值也不同,证明事件相关电位是观测这一变化的理想手段,且Oddball范式变式更适合考察由摩擦刺激引起的事件相关电位变化。继而,利用三轴力传感器测量摩擦系数,与Neuroscan ERP系统采集的脑电信号相联系,运用Oddball范式变式考察了三种织物样本诱发的事件相关电位P3的潜伏期和峰值大小。结果表明摩擦系数较大的织物样本诱发的事件相关电位P3潜伏期小、峰值小,说明其被更快更容易识别。摩擦系数小的织物样本则正好相反。本文从皮肤纳米结构、纳米力学、生物摩擦学、仿真实验、心理物理学、认知神经科学等方面探索了皮肤摩擦触觉感知机理。涉及到很多学科的知识和理论,研究成果可为类人机器人触觉仿真皮肤、活体皮肤测试替代品、产品触觉质感定量评定、触肤产品的舒适度、精细触觉反馈、触觉仿生等提供重要技术支持和理论支撑。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R339.11

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本文编号：1294602