Vilka faktorer påverkar hur mänsklig beröring uppfattar mjukhet, som känslan av att trycka fingertoppen mot en marshmallow, en bit lera eller en gummiboll? Genom att utforska denna fråga i detalj, ett team av ingenjörer och psykologer vid University of California San Diego upptäckte smarta knep för att designa material som replikerar olika nivåer av upplevd mjukhet.

Fynden ger grundläggande insikter i att designa taktila material och haptiska gränssnitt som kan återskapa realistiska beröringssensationer, för applikationer som elektronisk hud, proteser och medicinsk robotik. Forskare beskriver sina rön i numret den 30 augusti av Vetenskapens framsteg .

"Vi tillhandahåller en formel för att återskapa ett spektrum av mjukhet. Genom att göra det, vi hjälper till att överbrygga klyftan när det gäller att förstå vad som krävs för att återskapa vissa aspekter av beröring, sa Charles Dhong, som medledde studien som postdoktor vid UC San Diego och är nu biträdande professor i biomedicinsk teknik vid University of Delaware. Dhong arbetade med Darren Lipomi, en professor i nanoteknik vid UC San Diego och studiens motsvarande författare.

Baserat på resultaten från deras experiment, forskarna skapade ekvationer som kan beräkna hur mjukt eller hårt ett material kommer att kännas baserat på materialtjocklek, Youngs modul (ett mått på ett materials styvhet), och mikromönstrade områden. Ekvationerna kan också göra det omvända och beräkna, till exempel, hur tjockt eller mikromönstrat ett material behöver vara för att känna en viss mjukhet.

"Det som är intressant med det här är att vi har hittat två nya sätt att justera den upplevda mjukheten hos ett föremål - mikromönster och ändra tjockleken, "Dhong sa. "Youngs modul är vad forskare vanligtvis vänder sig till när det gäller vad som är mjukt eller hårt. Det är en faktor, men nu visar vi att det bara är en del av ekvationen."

Återskapa mjukhet

Forskarna började med att undersöka två parametrar som ingenjörer använder för att mäta ett materials upplevda mjukhet:fördjupningsdjup (hur djupt en fingertopp pressar in i ett material) och kontaktyta mellan fingertoppen och materialet. I vanliga fall, dessa parametrar ändras båda samtidigt när en fingertopp trycker in i ett föremål. Rör vid en bit mjukt gummi, till exempel, och kontaktytan kommer att öka ju djupare en fingertopp trycks in.

Dhong, Lipomi och kollegor var nyfikna på hur indragningsdjup och kontaktyta oberoende påverkar uppfattningen av mjukhet. För att svara på denna fråga, de specialkonstruerade material som frikopplade de två parametrarna och testade dem sedan på mänskliga försökspersoner.

Forskarna skapade nio olika elastomerplattor, var och en med sitt eget unika förhållande mellan indragningsdjup och kontaktyta. Plattorna skilde sig åt i mängden mikromönster på ytan, tjocklek och Youngs modul.

Mikromönster är nyckeln till designen. Den består av uppsättningar av upphöjda mikroskopiska pelare prickade på ytan av plattorna. Dessa små pelare tillåter en fingertopp att trycka djupare utan att ändra kontaktytan. Detta liknar att trycka mot metallstiften på en Pinscreen-leksak, där uppsättningar av stift glider in och ut för att göra ett 3D-intryck.

"Genom att skapa dessa mikromönstrade ytstrukturer, vi producerar diskontinuerliga kontaktområden där fingret trycker in som är mycket mindre än skuggan det skulle kasta på ytan, sa Lipomi.

Teamet testade plattorna på 15 ämnen och instruerade dem att utföra två uppgifter. I den första uppgiften, de presenterade försökspersonerna med flera par av plattor och bad dem att identifiera den mjukare i varje par. I den andra uppgiften, forskarna lät försökspersoner rangordna de nio plattorna från mjukast till hårdast.

Övergripande, plattorna som försökspersoner uppfattade som mjukare var tjockare, hade lite eller inget mikromönster på ytan, och hade en låg Youngs modul. Under tiden var plattor som kändes hårdare tunnare, hade mer mikromönster och en hög Youngs modul.

Mjukhet:en grundläggande ingrediens för beröring

Experiment ledde också forskarna till en intressant slutsats:uppfattningen av mjukhet är en grundläggande känsla, inte en kombination av andra förnimmelser.

"Detta betyder att mjukhet är en primär ingrediens i människans känsel. Det är som hur vi har RGB för färgskärmar, " sa Lipomi. "Om vi ​​kan hitta de andra beröringspixlarna, Kan vi kombinera dem för att göra vilken taktil bild vi vill ha? Det här är de grundläggande sakerna vi skulle vilja veta framöver."

Uppsatsen har titeln:"Roll av indragningsdjup och kontaktyta på mänsklig perception av mjukhet för haptiska gränssnitt."