日常生活中我們無時無刻不在與外界物體摩擦接觸，觸覺感知在其中發揮著重要作用． 例如，手指通過抓摸織物可對織物的表面紋理、光滑性和柔軟度等進行判斷; 盲人通過觸摸盲文凸點獲取知識等．從生物力學角度而言，手指部位皮膚具有復雜的生理結構和力學特性，當手指與外界物體接觸并產生相對運動時，手指皮膚產生壓縮、拉伸等機械變形，誘發位于皮膚深層的機械刺激感受器產生相應的動作電位，將含有觸覺信息的信號傳遞到大腦皮層從而識別物體的形狀、紋理等物理特征，因此手指的摩擦滑動在觸覺感知過程中起到重要作用．

目前國內外關于皮膚摩擦感知性能方面做了一些研究工作． Miyashita 等通過對不同物理特性材料的熱導率、表面能和粗糙度等參數的測量，指出熱導率和表面能分別影響觸摸時產生的溫暖感和絲柔感，而粗糙度對溫暖感、絲柔感和光滑感三種主要感覺均會產生影響; Lisa Skedung 等讓志愿者通過觸摸 21 種不同的印刷紙做出手感判斷，發現在分辨光滑和粗糙的印刷紙時表面粗糙度起主導作用，而在辨別一系列較光滑的印刷紙時摩擦力和熱導率則更重要． 李煒等通過測試摩擦過程中皮膚的機械信號\\( 摩擦力、黏著力等\\) 以及生理信號\\( 腦電波、皮膚溫度和導電性等\\) ，對皮膚摩擦感知機制進行了客觀量化研究，并研究了不同性別皮膚對摩擦不舒適度的感知能力，得出在相同摩擦條件下，女性的不舒適感要強于男性． 龐強等通過摩擦試驗采集受試者的各項生理數據并分析了其與主觀不適感之間的關系，采用偏最小二乘回歸方法對人體由于摩擦產生的不適感進行量化． T Yamaguchi 等建立了一種可以把手指運動轉化為 2D 圖形從而獲取觸覺信息的系統，在更微觀的層次上對觸覺感知進行研究． 從以上國內外研究可以看出，影響皮膚摩擦感知的因素較為復雜，其與接觸物體的粗糙度、熱導率、壓力、皮膚解剖位置以及由此產生的生理反應等關系較大． 當前研究的重點是對皮膚的摩擦感知能力進行客觀的量化評定，并將摩擦信號與人體主觀感受相結合． 鑒于此，本文作者以與外界物體接觸最多的手指為研究對象，把試驗過程中所測得的摩擦信號與受試者的主觀感受聯系在一起，采用客觀分析和主觀評價相結合的研究方法，研究不同法向力、接觸介質、紋理間距以及直徑等對手指觸覺感知靈敏性的影響，揭示手指皮膚的摩擦感知機理． 研究結果可為改進生活用品的外觀紋理結構設計及觸覺仿生皮膚的研制等提供參考依據.

1 實驗部分

1． 1 樣品準備

選取8 塊長100 mm、寬35 mm、厚2 mm 的鍍鋅板為底板分為兩組，編號為 a、b、c、d 和 1、2、3、4，并且在兩組鋅板上固定等間距且直徑分別為 1． 6 和0． 8 mm 的木棒，作為手指接觸樣品的紋理間距設計，如圖 1 所示． 8 塊樣品的紋理間距尺寸及木棒根數信息見表 1． 【圖1.表1】


考慮到觸摸物體過程中右手食指的使用頻率較高，故選取受試者的右手食指作為試驗對象． 6 名年齡在 22 ～ 26 歲之間，右手食指無異常的健康受試者\\( 其中男女各 3 名\\) 參加了本次試驗．試驗開始前要求手指皮膚未涂抹化妝品或者外用藥物，每次試驗前受試者在恒定環境下靜坐 20 min 保持心情平靜，用酒精擦拭受試部位皮膚后進行試驗．

1． 2 方法

摩擦試驗在美國 CETR 公司生產的 UMT － II 多功能摩擦磨損試驗機上進行，采用單向滑動模式． 上摩擦副為手指皮膚，下摩擦副為接觸樣品，試驗時手指固定于試驗機上懸架部分，接觸樣品分別粘在 A4白紙上且固定于試驗臺下端，試驗過程如圖 2 所示．【圖2略】

為確保手指在摩擦運動過程中保持恒定的速度、接觸力以及與樣品的接觸面積，設計并加工了如圖 2左側所示的連接件． 連接件斜下端套筒用于固定手指，連接件垂直上端與摩擦機測力傳感器相連． 試驗前受試者把右手食指放入連接件的套筒后可與水平面始終保持 30°夾角，以保證食指指腹與樣品的最大恒定接觸面積． 試驗時摩擦試驗機上的傳動系統通過連接件的垂直上端硅膠墊片將法向載荷施加在指尖，固定于摩擦機上傳動系統的食指隨著摩擦機以設定的載荷及速度在接觸樣品上滑動． 在研究法向載荷的影響時 Fn依次設為 0． 2、1、2、3 和 4 N 來模擬手指接觸物體的觸摸力，運動速度 4 mm/s，運動位移 72 mm． 試驗介質分別為干態和在手指表面涂抹洗潔精兩種狀態，并且在不考慮直徑的影響時均選用第一組為試驗樣品． 在研究樣品直徑的影響時，法向力保持為恒定 2 N，其他試驗條件均不變．環境溫度為 20 ± 2℃，空氣相對濕度為 70% ± 5%．對于每一受試者，相同試驗條件下進行 3 次重復試驗，每次試驗間隔 20 min． 記錄摩擦力及接觸力曲線，同時讓受試者對滑過的木棒根數進行判斷． 為確保試驗中的判斷不被外界因素所干擾，受試者在試驗過程中要求帶上眼罩，并且讓受試者同時隨機觸摸另外 4 種不等間距的試驗樣品，以避免由于樣品等距可能造成受試者心理上做出習慣性判斷．

2 結果及分析

2． 1 指尖受力與感知狀況分析

圖 3 為試驗過程中手指分別滑過無木棒的鍍鋅板與樣品時指尖皮膚的法向壓力和摩擦力隨位移變化的典型曲線． 可見手指在滑過樣品時法向壓力和摩擦力曲線有著明顯周期性變化規律［見圖 3\\( b\\) ］，而在滑過鍍鋅板時曲線變化較為平緩并且沒有明顯的周期性［見圖 3\\( a\\) ］． 這是因為試驗樣品表面凹凸起伏\\( 既存在木棒自身形狀造成的凸起又存在由于木棒的間距造成的凹陷\\) ，并且手指皮膚也具有非線性黏性等復雜的生物力學特性，在受到外界的擠壓、拉伸等刺激時會造成該部位的皮膚產生變形． 當手指在樣品表面滑動時，依次經過凸起 －凹陷 － 凸起的重復循環，當經過樣品的凹陷處\\( 木棒之間的空隙\\) 時，此處指尖實際受力和所受摩擦力明顯減小，接著連接件帶動手指繼續滑動，處于凹陷處的皮膚開始“爬上”相鄰的木棒，與木棒的接觸面積逐漸增大，這一過程中指尖所受壓力和摩擦力都開始逐漸增加，當接觸面積最大也就是到達木棒的最高處時，皮膚所受的壓力和摩擦力也達到最大，然后手指隨著連接件的運動逐漸離開木棒，指尖所受壓力和摩擦力又開始減小直至進入下一個凹陷，如此依次循環往復，這一結果與 Lewis 等在研究不同幾何尺寸溝槽的摩擦力曲線時的分析相一致．這一運動過程中由于指尖皮膚所受法向壓力和摩擦力的大小交替變化，從而使指尖產生了壓縮、牽扯及恢復等周期性變形，這些力學信號會刺激位于指尖皮膚內的機械性刺激感受器，使其產生動作電位，把信號傳遞到人的大腦皮層，經過人腦的分析、計算從而產生感知，對木棒的形狀、數目信息做出判斷．【圖3】

2． 2 法向力、紋理間距對摩擦感知的影響分析

把六名志愿者分別從 1 到 6 進行編號，通過以上摩擦感知試驗，分別對不同法向力作用下四種樣品的根數做出判斷，得到如圖 4 所示散點圖，其中橫線代表樣品木棒的實際數目并且由于不同志愿者對同一試驗樣品的判斷結果有重疊，故在散點處的括號內標示出了判斷結果相同的人數． 由于樣品 a 的紋理較密集間距較小，當法向力設定為 0． 2、1、2 和3 N 時志愿者無法對樣品 a 的根數做出判斷，所以在上述三種力的作用下無試驗結果，即使在 4 N 的法向力作用下，志愿者做出的判斷也與實際值差別較大，而且結果較分散［見圖 4\\( a\\) ］． 在圖 4\\( b ～ d\\)中可以看出: 隨著木棒紋理間距的增大，在同一法向力作用下，受試者判斷結果的準確性也逐漸增高，尤其是樣品 d，受試者的判斷準確性最高． 由此得出，隨著對手指施加的法向力及紋理間距的逐漸增大，受試者判斷的準確性也逐步提高，摩擦感知能力增強．【圖4略】

由圖 3\\( b\\) 結果可知，指尖滑過樣品時壓力曲線周期性變化的波動程度可以反映出手指滑過樣品時指尖皮膚變形程度的大?。?圖 5 給出了受試者手指依次在不同法向力的作用下觸摸樣品 a、b、c、d，得到的指尖所受壓力曲線的最大值與最小值之差的平均值和標準差． 從圖 5 中可以看出: 隨著對手指施加法向力的增大，觸摸每種樣品時手指皮膚受力最大值與最小值之差逐漸增大，也即手指皮膚的變形程度逐漸增大． 結合試驗中受試者的主觀判斷可以看出: 對于每一種樣品其判斷的準確性都與指尖皮膚的變化程度呈正相關特性，尤其是對于樣品 d 而言，此種現象更為明顯，也就是說指尖皮膚的變形程度越大，受試者的觸覺分辨能力越強． 這說明指尖皮膚所受壓力的變化可以在一定程度上表征人體的觸覺感知狀況．【圖5】


2． 3 摩擦力、紋理間距對摩擦感知的影響分析

實驗過程中，通過在樣品和受試者指尖部位涂抹洗潔精來改變接觸運動時的摩擦系數． 在保證施加到指尖上的法向力依然分別為 0． 2、1、2、3 和 4 N的工況下，讓受試者再次對四種樣品木棒數目做出判斷，得到如圖 6 所示散點圖． 由于在五種法向力作用下志愿者均無法對樣品 a 的根數做出判斷，故沒有做出 a 樣品的散點圖． 對比圖 4 和圖 6 可以發現:

在改變接觸介質之后，樣品表面變得更為光滑使受試者判斷的準確性明顯下降，只有在加大法向力和紋理間距的 c 和 d 樣品中，受試者判斷的準確性才逐漸提高．圖 7 示出了在法向力分別保持 0． 2、1、2、3 和4 N的條件下，有無洗潔精介質情況下手指與四種樣品接觸時的摩擦力對比結果，可以看出在加入洗潔精后指尖皮膚所受摩擦力明顯減小，結合圖 4 和圖 6 中受試者在干態和洗潔精接觸介質狀況下的主觀判斷結果，發現對于每一種試驗樣品而言，在加入洗潔精后判斷準確性均有所降低，說明受試者的感知判斷的準確性與摩擦力的大小呈正相關，即摩擦力減小則觸覺分辨能力也隨之下降． 從這一結果可以得出，手指在觸摸物體時，接觸介質引起的摩擦力變化可以在一定程度上影響觸覺感知的靈敏程度．【圖略】

2． 4 不同試驗樣品直徑對摩擦感知的影響分析

將第一組試驗樣品 a、b、c、d 與第二組樣品 1、2、3、4 的判斷結果進行對比，得到如圖 8 所示散點圖，由于受試者對樣品 1 和樣品 a 在此種試驗條件下均不能做出判斷，所以只示出了第一組樣品的 2、3、4 與第二組樣品的 b、c、d 的對比結果． 可以看出:

對于木棒直徑較小的第二組樣品而言判斷結果的準確性稍有下降． 圖 9 示出了兩組樣品指尖皮膚受力最大值與最小值之差的平均值和標準差，通過對比發現在相同試驗條件下第一組樣品的指尖皮膚變形程度大于第二組，因而受試者的感知靈敏程度更強.【圖9】


3 結論

a． 手指滑過試驗樣品時由于指尖皮膚受到擠壓和拉伸形變，引起手指皮膚壓力和摩擦力的周期性變化，從而可以感知樣品的數目信息．b． 隨著對手指施加的法向力及樣品紋理間距的逐漸增大，受試者判斷的準確性逐步提高，手指摩擦感知能力增強．c． 指尖與樣品之間的潤滑介質減小了手指皮膚與樣品間的摩擦力，從而降低了受試者感知判斷的準確性．d． 針對本文試驗中兩組不同木棒直徑的樣品而言，直徑較大的一組引起的指尖皮膚變形量較大，因而摩擦感知靈敏性更高．

參考文獻:

［1］ Li W． Tribological behavior of skin under reciprocating sliding［D］． Chengdu: Southwest Jiaotong University，2006 \\( inChinese\\) ［李煒． 皮膚的往復滑動摩擦特性研究［D］． 成都:西南交通大學，2006］．
［2］ Li Y F． Experimental research on frictional and elastic propertiesof human skin［D］． Nanjing: Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics，2008 \\( in Chinese\\) ［李遠峰． 人體皮膚摩擦和彈性性能的試驗研究［D］． 南京: 南京航空航天大學，2008］．