Som vår kropps största och mest framträdande organ, huden ger också en av våra mest grundläggande kopplingar till omvärlden. Från det ögonblick vi föds, den är intimt involverad i varje fysisk interaktion vi har.

Även om forskare har studerat känslan av beröring, eller haptik, i mer än ett sekel, många aspekter av hur det fungerar förblir ett mysterium.

"Beröringssinnet är inte helt förstått, även om det är kärnan i vår förmåga att interagera med världen, "sa UC Santa Barbara -haptikforskaren Yon Visell." Allt vi gör med våra händer - tar upp ett glas, underteckna vårt namn eller hitta nycklar i vår väska - inget av det är möjligt utan känslan. Ändå förstår vi inte helt karaktären på de känslor som fångas av huden eller hur de behandlas för att möjliggöra uppfattning och handling. "

Vi har bättre modeller för hur våra andra sinnen, som syn och hörsel, arbete, men vår förståelse av hur känseln fungerar är mycket mindre komplett, han lade till.

För att hjälpa till att fylla det gapet, Visell och hans forskargrupp, inklusive Yitian Shao och medarbetare Vincent Hayward på Sorbonne, har studerat beröringskänslans fysik – hur beröring av ett föremål ger upphov till signaler i huden som formar vad vi känner. I en studie (länk) publicerad i tidskriften Vetenskapliga framsteg , gruppen avslöjar hur hudens inneboende elasticitet underlättar taktil avkänning. Anmärkningsvärt, de visar att långt ifrån att vara ett enkelt avkänningsmaterial, huden kan också underlätta bearbetning av taktil information.

För att förstå denna betydelsefulla men lite kända aspekt av beröring, Visell tycker att det är bra att tänka på hur ögat, vårt synorgan, bearbetar optisk information.

"Människosyn är beroende av ögats optik för att fokusera ljuset till en bild på näthinnan, " sa han. "Nethinnan innehåller ljuskänsliga receptorer som översätter den här bilden till information som vår hjärna använder för att bryta ner och tolka det vi tittar på."

En analog process utspelar sig när vi rör en yta med vår hud, Visell fortsatte. Liknande strukturer som hornhinnan och iris som fångar och fokuserar ljus på näthinnan, hudens elasticitet distribuerar taktila signaler till sensoriska receptorer i hela huden.

Bygga på tidigare arbete som använde en rad små accelerometrar som användes på handen för att känna och katalogisera de rumsliga vibrationsmönstren som genereras av åtgärder som tappning, glida eller greppa, forskarna här använde en liknande metod för att fånga rumsliga vibrationsmönster som genereras när handen känner miljön.

"Vi använde en anpassad enhet som bestod av 30 treaxliga sensorer som var försiktigt bundna till huden, " förklarade huvudförfattaren Shao. "Och sedan bad vi varje deltagare i våra experiment att utföra många olika beröringsinteraktioner med sina händer." Forskargruppen samlade in en datauppsättning med nästan 5000 sådana interaktioner, och analyserade dessa data för att tolka hur överföringen av beröringsproducerade vibrationsmönster som överfördes genom den handformade informationsinnehållet i de taktila signalerna. Vibrationsmönstren uppstod från den elastiska kopplingen i själva huden.

Teamet analyserade sedan dessa mönster för att klargöra hur överföringen av vibrationer i handen formade informationen i de taktila signalerna. "Vi använde en matematisk modell där högdimensionella signaler som känns i hela handen representerades som kombinationer av ett litet antal primitiva mönster, " förklarade Shao. De primitiva mönstren gav ett kompakt lexikon, eller ordbok, som komprimerade storleken på informationen i signalerna, gör att de kan kodas mer effektivt.

Denna analys genererade ett dussin eller färre primitiva vågmönster – vibrationer i huden i hela handen som kunde användas för att fånga information i de taktila signalerna som handen känner. Den slående egenskapen hos dessa primitiva vibrationsmönster, Visell sa, är att de automatiskt återspeglade handens struktur och vågöverföringens fysik i huden.

"Elasticitet spelar denna mycket grundläggande funktion i huden att engagera tusentals sensoriska receptorer för beröring i huden, även när kontakt sker på ett litet hudområde, "förklarade han." Detta gör att vi kan använda mycket mer sensoriska resurser än vad som annars skulle vara tillgängliga för att tolka vad det är vi berör. "Det anmärkningsvärda resultatet av deras forskning är att denna process också gör det möjligt att mer effektivt fånga information i de taktila signalerna, sa Visell. Informationsbehandling av detta slag anses normalt utföras av hjärnan, snarare än huden.

Den roll som mekanisk transmission spelar i huden liknar i vissa avseenden den roll som innerörats mekanik spelar i hörseln, sa Visell. 1961, von Bekesy fick Nobelpriset för sitt arbete med att visa hur innerörats mekanik underlättar auditiv bearbetning. Genom att sprida ljud med olika frekvensinnehåll till olika sensoriska receptorer i örat underlättar de ljudkodning av ljudsystemet. Teamets arbete tyder på att liknande processer kan ligga bakom känseln.

Dessa fynd, enligt forskarna, bidrar inte bara till vår förståelse av hjärnan, men kan också föreslå nya tillvägagångssätt för konstruktion av framtida protesproteser för amputerade som kan vara utrustade med hudliknande elastiska material. Liknande metoder kan också en dag användas för att förbättra taktil avkänning av nästa generations robotar.