振動觸覺的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

雷呈祥,丁江舟,司高潮,曹 文

振動觸覺的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

雷呈祥,丁江舟,司高潮,曹 文

觸覺;振動信號;空間定向;信息

人和動物有多種途徑獲取外部信息[1],其中重要的是感覺系統(tǒng),主要包括視覺、聽覺、觸覺、壓覺和振動覺等,感知信號各自傳回大腦,在大腦進行加工融合以判斷外界情況。在實際生活中,一種感覺的衰退并不會導(dǎo)致人們認識和了解世界能力的喪失,比如盲人的觸覺和聽覺就比常人發(fā)達。因此,可利用這個特點,通過多途徑了解和獲取信息,以減輕個別感官的負擔,甚至避免錯誤信息的產(chǎn)生。

1 觸覺與振動觸覺

觸覺(haptic,tactile sense)是生物體與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能,是對接觸、滑動、壓力等機械刺激的反應(yīng),是通過接觸刺激作用于觸覺感受器而引起的。觸覺是動物所具有的原始感覺,其產(chǎn)生是生命進化過程中的重要事件,它使得生物可以感覺到外界情況,從而去適應(yīng)現(xiàn)狀、規(guī)避風(fēng)險。觸覺可誘發(fā)動物身體收縮、蜷曲、無定位運動等各種防御反應(yīng)或者向刺激部位作出回應(yīng)性反擊反應(yīng)。多數(shù)動物的觸覺器是遍布全身的,像人的皮膚位于人的體表,依靠表皮的游離神經(jīng)末梢能感受溫度等。作為皮膚感覺的人的觸覺感受器有 4種觸覺小體和毛根的游離神經(jīng)末梢 (觸須)。

與觸覺類似的是壓覺 (piesesthesia,pressure sense)和振動覺(pallesthesia,sense of vibration)。壓覺是感受適宜刺激的外力持續(xù)作用的或強力的可達到比較深層的感覺。振動覺則是感受振動刺激的感覺,對于人體來講可感受到小于1000 Hz的重復(fù)壓刺激。若以神經(jīng)放電的記錄作明確的區(qū)分時,對持續(xù)性刺激神經(jīng)放電稱為壓覺,而非持續(xù)性的少量放電則稱為觸覺。壓覺放電的適應(yīng)慢,觸覺適應(yīng)快。振動覺則介于兩者之間,也有一些學(xué)者將振動覺歸為觸覺,因此又稱為振動觸覺 (vibrotactile)。

振動覺與觸覺關(guān)系密切,是動物重要的定位手段,例如除掉觸須的貓和鼠就會導(dǎo)致定位困難,行為莽撞。在動物界還可觀察到以觸覺感受器和特別的振動覺器官為媒介的振動覺發(fā)達的情況,特別是某些低等動物,振動覺與觸覺一起成為決定其行為的重要感覺之一。主要以觸覺來認識生活環(huán)境及其變化的動物 (如蚯蚓)稱為觸覺動物。

節(jié)肢動物對通過固體、水、空氣傳導(dǎo)而來的振動十分敏感,它的感受器中有感覺毛和鐘形感覺體。如蠊的尾毛相應(yīng)于空氣的流動在脛節(jié)存在對低頻 (30～500 Hz)和高頻(1000～5000 Hz)有反應(yīng)的感受器;蜜蜂的觸角和關(guān)節(jié)運動都具有對風(fēng)向、風(fēng)強的感知能力;蜘蛛對網(wǎng)上獵物生死的判斷也是依據(jù)一定的振動形式;水生脊椎動物的側(cè)線器對水流、水波、水壓變化有很好的反應(yīng)。除對低頻敏感外,側(cè)線器的感覺細胞與在高等動物所見的內(nèi)耳毛細胞是相同的。

2 振動觸覺的特點

皮膚對壓力 (正或負)、振動、溫度、電壓和電流等刺激敏感,每種不同的感覺都有適宜的刺激。皮膚感受器中與振動觸覺相關(guān)的主要是用于感受低頻振動的Meisner小體和用于感受高頻振動的深層 Pacinian小體。在人類,振動感受器傳遞的電信號是由感覺傳導(dǎo)束 (上行傳導(dǎo)束)內(nèi)側(cè)丘系來實現(xiàn)的。

振動感受器的感受性有一定的頻率極限,即閾值。當振動刺激低于或高于一定頻率時,不會引起振動覺。除振動頻率外,刺激強度及刺激的皮膚部位和接觸面積也對振動覺有較大影響。振動感受性還具有空間和時間總合的效應(yīng)。如果振動刺激作用于皮膚的面積增大,將出現(xiàn)空間總合,導(dǎo)致強度絕對閾限下降。如果同時刺激 2個鄰近的皮膚點或身體的 2個對稱部位,也會出現(xiàn)空間總合。另外,在一定范圍內(nèi),如果振動刺激的作用時間不斷增加而出現(xiàn)時間總合,強度絕對閾限則會下降,故振動刺激的長期作用可導(dǎo)致適應(yīng),使振動感受性降低。

振動信號和視覺、聽覺信號一樣可同時被感知,且振動觸覺也具有全方向的感覺能力。振動觸覺通常根據(jù)周期差異來分辨不同振動信號,分辨功能在大腦皮層內(nèi)完成[2]。如果要正確理解振動觸覺語言,必須注意振動觸覺語言的關(guān)鍵特性[3],包括頻率、振幅、波形、持續(xù)時間、節(jié)奏,身體位置和時空模型等。

2.1 頻率 人可以覺察到的振動頻率為 20～1000 Hz,最敏感的頻率在 250 Hz左右,人能夠區(qū)分的離散頻率的數(shù)量在 9個左右。振幅的變化會在一定程度上導(dǎo)致頻率感覺的變化。

2.2 振幅 亦即刺激強度,范圍 0.4～55.0 dB。研究發(fā)現(xiàn),振幅在 0.4～3.2 dB之間變化時差異顯著,28.0 dB以上時感覺開始惡化,55.0 dB以上開始有疼痛感。

2.3 波形 波形的感覺較為困難,正弦波和方波易于感覺并區(qū)分,其他復(fù)雜波形則很難區(qū)分。

2.4 時間 刺激持續(xù)時間小于 0.1 s可產(chǎn)生輕拍的感覺,長時間刺激產(chǎn)生的則是刺戳的感覺,當刺激遞增或衰減的時候,可以感覺到平滑的觸覺感覺。

2.5 節(jié)奏 當在皮膚的同一區(qū)域有多個刺激時,持續(xù)時間的差異可以被用作對不同刺激進行分組,不同持續(xù)時間的脈沖組合,也可構(gòu)成節(jié)奏單元。

3 振動觸覺的應(yīng)用研究

3.1 輔助信息獲取 我們都知道,設(shè)為振動的手機能提示短信、來電或者定時等信息,耳機能帶來聲音和音樂,助聽器能幫助有聽力障礙的人感知外界聲音等。事實上,通過振動人們獲取的信息可以更多。在危險領(lǐng)域如消防救災(zāi)和戰(zhàn)場等領(lǐng)域[4],由于客觀存在的原因,操作者可能短期或長期無法通過視覺或聽覺來獲取信息,從而影響到指揮。但是完全可以利用振動觸覺實現(xiàn)無聲指揮。Robert Lindeman已經(jīng)為此研究了多年,成功地研制出基于振動觸覺的裝置——振動觸覺腰帶 (vibrotactile belt)和振動背心 (tactavest),它們能在步兵實戰(zhàn)障礙演習(xí)中傳遞一些簡單的信息。美國海軍擬制作的新一代戰(zhàn)斗服就可能布設(shè)遍及全身的傳感器。利用它可以傳遞更多信息,比如一個輕擊意味著一個有敵意的人走近,一個脈沖表示臨近的人很友好等。

3.2 輔助定向 在飛行領(lǐng)域,由于安全和精確操作的需要,飛行員不得不頻繁切換視覺視野,特別是在復(fù)雜空域或存在高加速度時,飛行員常發(fā)生空間定向錯覺 (spatial disorientation,SD),這對飛行是非常危險的[5,6]。SD是相對地面或其他飛行器產(chǎn)生的對高度、位置和運動產(chǎn)生的錯誤認知,是引起空難的重要因素之一。如果通過激活不同的感覺器官[7](如視覺符號、三維音響和振動觸覺信號等)警示飛行員處于危險定向狀態(tài),有助于減少飛行錯覺[8],對保障飛行安全具有重要意義。Ernst指出人的視覺偏差直接依賴于力/觸覺信息的修正[9]。據(jù)此,國外已開始研制振動觸覺服或振動背心。振動觸覺服包含數(shù)個振動元件,每個振動元件在服裝上的位置是固定的,著裝時也就相對的固定在機體某個部位,這樣可以產(chǎn)生快速且直接的空間信息,更易把握飛行的姿態(tài)和高度等。該振動觸覺服也可用于輔助宇航員進行空間定向,對有嚴重前庭障礙的人也有很大幫助。

3.3 輔助運動訓(xùn)練 荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織研發(fā)出一種被稱為“振動墊”的運動服,有助于提高運動員的成績。這種觸覺運動服內(nèi)置有傳感器,可以感應(yīng)出選手的狀態(tài),并發(fā)出觸覺信號,提醒穿著者需要優(yōu)化自己的技術(shù),或使用特定的肌肉群以爭取更佳成績。該研究組織稱,運動員對觸覺信號的反應(yīng),較他們對教練吶喊聲的反應(yīng)更迅速。目前這種觸覺運動服正在劃艇運動員中進行測試。振動墊綁在接受測試的運動員的腳踝和腰上,當運動員的表現(xiàn)不理想時,振動墊會提醒他們改變節(jié)奏。

3.4 輔助治療 Olav Skille發(fā)現(xiàn),將肌肉緊張痙攣的腦癱兒童放在臥式大音箱上,所播放的音樂可使患兒愉悅,肌肉痙攣緩解并放松。他認為,這些癥狀和體征的改善是音樂聲波振動所致,便著手研究體感振動音樂治療技術(shù),后來發(fā)展成體感振動音樂療法。體感振動音樂療法使用專用音響,讓人平躺在上面,全身宛若漂浮在音樂聲波當中。臨床觀察表明,體感振動音樂治療方法能緩解失眠、過敏性腸綜合征、便秘、心臟病、神經(jīng)性貪食、頭疼、厭食癥等心身癥狀,在國際上也應(yīng)用在產(chǎn)婦分娩、輸血、手術(shù)、血液透析、老年癡呆、腫瘤、疼痛?？啤⑨樉?、褥瘡的預(yù)防和治療等方面。

3.5 輔助心理減壓 體感振動音樂還用于心理減壓,減輕個體抑郁、焦慮和神經(jīng)過敏等狀況。2006年,中國國家體育總局體科所歷時 1年多對 59名中國現(xiàn)役優(yōu)秀運動員 (國家、國際運動健將)進行測試,結(jié)果證明對緩解運動員心理和生理疲勞具有明顯效果,甚至對激發(fā)潛能起到一定作用。2007年,中國音樂治療學(xué)會功能音樂研發(fā)中心選定體感振動音響研發(fā)“生物共振音樂治療系統(tǒng)”,成為各精神衛(wèi)生中心、綜合醫(yī)院音樂治療室、心理門診減壓中心的首選配置。

4 應(yīng)用展望

振動觸覺有較好的帶寬且在實際工作中容易實現(xiàn) (如使用鈍針、音圈或壓電晶體等產(chǎn)生振動)[10],是輔助視覺等其他感覺的一種有效方式[11],振動觸覺也可用于展示攜帶者本人的行為或信息,比如面部表情[12]等。因此振動觸覺的研究已廣受世界各國的重視,未來也許有更多的用途,商業(yè)應(yīng)用價值巨大,比如輔助平衡、輔助聽力,用于醫(yī)學(xué)訓(xùn)練或游戲系統(tǒng),跟蹤危險環(huán)境人員的行為[4],還能用于防止交通事故[13]等。當然,振動觸覺只是輔助提供信息,并不能完全替代視覺或其他機體感覺。

[1] W ickens C.Multiple resources and mental workload[J].Hum Factors,2008,50(3)：449-454.

[2] 王坤赤.觸覺的頻率分辨機制研究[J].南通大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2007,6(4)：67-70.

[3] 帥立國,姜昌金,周芝庭,等.觸覺顯示技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2006,(6)：74-79.

[4] Chen J,Terrence P.Effects of tactile cueing on concurrent perfor mance ofmilitary and robotics tasks in a simulated multitasking environment[J].Ergonomics,2008,51(8)：1137-1152.

[5] 于立身.飛行空間定向障礙研究的過去、現(xiàn)在與未來[J].航空軍醫(yī),2009,37(5)：193-203.

[6] van Erp JBF,Erriksson L,Levin,B,et al.Tactile cueing effect on perfor mance in simulated aerial combatwith high acceleration[J].Aviat Space EnvironMed,2007,78(12)：1128-1134.

[7] Carlander O,Errikson L.Uni-and bimodal threat cueing with vibrotactile and 3-D audio technologies in a combat vehicle[C].Proceedings of the Human Factors and Ergonomics,50th Annual Meeting,SantaMonica,2006：1552-1556.

[8] McKinley RA,Tripp LD,Goodyear C,et al.Multisensory cueing to improve UAV operator performance during landing[J].Aviat Space EnvironMed,2007,78(3)：338-341.

[9] Marc OE.Humans integrate visual and haptic information in a statistically optimal fashion[J].Nature,2002,415(6870)：429-433.

[10]Gunther E,Davenport G,O ′Modhrain S.Cutaneous grooves：com-posing for the sense of touch[C].Proceedings of the 2002 Conference on New Instruments for Musical Expression(N I ME-02).Dublin,2002：1-7.

[11]DiamondDD,Kass SJ,Andrasik F,et al.Vibrotactile cueing as a master caution system for visual monitoring[J].Hum Factors and Aerosp Safety,2002,2(4)：339-354.

[12]ur Rehman S,Liu L.Vibrotactile rendering of human emotions on the manifold of facial expressions[J].J Multim,2008,3(3)：18-25.

[13]Ho C,Reed N,Spence C.Multisensory in-car warning signals for collision avoidance[J].Hum Factors,2007,49(6)：1107-1114.

R34;R6

A

1009-0754(2010)04-0373-03

200433 上海,海軍醫(yī)學(xué)研究所

2.6 位置 身體的不同部位對觸覺的敏感度不同。

2.7 時空模型 觸覺刺激可以在身體上產(chǎn)生二維觸覺圖案,改變時間和位置編碼信息,觸覺圖案可以在身體上移動和改變。

2010-11-06)

(本文編輯：施 莼)