Welche Faktoren beeinflussen, wie menschliche Berührung wahrnimmt, Weichheit, wie das Gefühl von drücken Sie Ihre Fingerkuppe gegen ein marshmallow, ein Stück Ton, oder ein ball aus Gummi? Bei der Erforschung dieser Frage im detail, ein team von Ingenieuren und Psychologen an der Universität von Kalifornien in San Diego entdeckten clevere tricks zu design, Materialien, die repliziert werden verschiedene Ebenen der Wahrnehmung Weichheit.
Die Ergebnisse liefern fundamentale Einblicke in die Gestaltung von taktilen Materialien und haptische Schnittstellen, neu erstellen können realistischen touch Empfindungen, für Anwendungen wie die elektronische Haut, Prothesen und medizinische Robotik. Die Forscher detailliert Ihre Ergebnisse in der Aug. 30 Ausgabe der Wissenschaft Fortschritte.
„Wir stellen eine Formel neu zu erstellen ein Spektrum von Weichheit. Dabei helfen wir die Lücke schließen, die im Verständnis, was es braucht, neu zu erstellen, einige Aspekte der Berührung,“ sagte Charles Dhong, die co-führte die Studie als postdoctoral fellow an der UC San Diego und ist jetzt ein Assistenzprofessor der biomedizinischen Technik an der Universität von Delaware. Dhong arbeitete mit Darren Lipomi, professor für nanoengineering an der UC San Diego und der Studie co-entsprechenden Autor.
Auf der Grundlage der Ergebnisse Ihrer Experimente, die Forscher erstellten Gleichungen, die berechnen können, wie weich oder hart ein material, fühlen sich auf der Grundlage der Materialstärke, Elastizitätsmodul (ein Maß für ein material, Steifigkeit), und micropatterned Bereichen. Die Gleichungen können auch Umgekehrt Vorgehen und zu berechnen, zum Beispiel, wie dick oder micropatterned eine materielle Bedürfnisse zu sein, zu fühlen, eine gewisse Weichheit.
„Was ist interessant daran ist, dass wir uns gefunden haben zwei neue Möglichkeiten zur Optimierung der wahrgenommenen Weichheit eines Objekts — micropatterning und die änderung der Dicke,“ Dhong sagte. „Young‘ s modulus ist, was die Wissenschaftler in der Regel in Bezug auf das, was weich ist oder hart. Es ist ein Faktor, aber jetzt zeigen wir, dass es nur ein Teil der Gleichung.“
Neuerstellung Weichheit
Die Forscher begannen mit der Prüfung zwei Parameter, die Ingenieure verwenden, um zu Messen, die ein material wahrgenommene Weichheit: Einzug Tiefe (wie tief der Fingerspitze drückt in einem material) und die Kontaktfläche zwischen Fingerkuppe und material. Normalerweise sind diese Parameter ändern sich gleichzeitig als eine Fingerkuppe drückt, in ein Objekt. Berühren Sie ein Stück weiches Gummi, zum Beispiel, und die Kontaktfläche erhöht die tiefer eine Fingerkuppe drückt.
Dhong, Lipomi und Kollegen waren neugierig, wie die Eindringtiefe und Kontaktfläche unabhängig voneinander Einfluss auf die Wahrnehmung von Weichheit. Um diese Frage zu beantworten, die Sie speziell entwickelte Materialien, die entkoppelt die beiden Parameter, und dann testeten Sie an menschlichen Probanden.
Die Forscher erstellten neun verschiedenen Elastomer-Platten, jede mit Ihrer eigenen einzigartigen Verhältnis von Eindringtiefe zu Kontaktieren-Bereich. Die Platten unterschieden sich in der Höhe von micropatterning auf der Oberfläche, Dicke und Elastizitätsmodul.
Micropatterning ist der Schlüssel für das design. Es besteht aus arrays, die von aufgeworfenen mikroskopische Säulen punktiert, auf der Oberfläche der Platten. Diese kleinen Säulen ermöglichen eine Fingerspitze zu drücken, tiefer, ohne änderung der Kontaktfläche. Dies ist ähnlich wie das drücken gegen die Metall-pins von einem Pinscreen Spielzeug, wo arrays von pins Folie in die und aus, um einen 3D-Eindruck.
„Durch die Schaffung dieser micropatterned Oberfläche Strukturen, die wir produzieren diskontinuierliche Regionen in Kontakt, wo die finger drückt, die sind viel kleiner als die Schatten Sie werfen würde, auf der Oberfläche,“ Lipomi sagte.
Das team testete die Platten auf 15 Probanden und gab Ihnen die Anweisung, zwei Aufgaben zu erfüllen. In der ersten Aufgabe, Sie präsentierten Themen mit mehrere Paare von Platten und bat Sie, zu identifizieren, die weicher eines jeden Paares. In der zweiten Aufgabe mussten die Forscher die Probanden Rang neun Platten aus dem weichsten zu härtesten.
Insgesamt werden die Platten, die Probanden als weicher dicker wurden, hatte wenig bis gar keine micropatterning auf der Oberfläche, und hatte einen niedrigen Elastizitätsmodul. Mittlerweile Platten, fühlte sich härter noch dünner waren, hatten mehr micropatterning und einen hohen Elastizitätsmodul.
Weichheit: ein grundlegender Bestandteil touch
Versuche auch führte die Forscher zu einem interessanten Schluss: die Wahrnehmung von Weichheit ist eine grundlegende Empfindung, nicht eine Kombination von anderen Empfindungen.
„Dies bedeutet Weichheit ist ein Hauptbestandteil des menschlichen Tastsinn. Es ist wie, wie haben wir RGB für Farb-displays,“ Lipomi sagte. „Wenn wir die anderen“ Pixel-touch, “ können wir kombinieren Sie zu jedem taktile Bild, das wir wollen? Dies sind die grundlegenden Dinge, die wir würde gerne wissen, die Zukunft.“
Papier Titel: „die Rolle der Eindringtiefe und Kontaktfläche auf der Menschlichen Wahrnehmung von Weichheit für Haptische Interfaces.“ Co-Autoren umfassen Rachel Miller, Nicholas Stamm, Sumit Gupta, Laure V. Kayser, Cody W. Carpenter, Kenneth J. Loh und Vilayanur S. Ramachandran, alle an der UC San Diego.
Diese Arbeit wurde unterstützt von den National Institutes of Health Director ‚ s New Innovator Award (grant 1DP2EB022358) und das Office of Naval Research (grant N00014-18-1-2483).