雷呈祥,丁江舟,司高潮,曹 文

振動(dòng)觸覺(jué)的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

雷呈祥,丁江舟,司高潮,曹 文

觸覺(jué);振動(dòng)信號(hào);空間定向;信息

人和動(dòng)物有多種途徑獲取外部信息[1],其中重要的是感覺(jué)系統(tǒng),主要包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、壓覺(jué)和振動(dòng)覺(jué)等,感知信號(hào)各自傳回大腦,在大腦進(jìn)行加工融合以判斷外界情況。在實(shí)際生活中,一種感覺(jué)的衰退并不會(huì)導(dǎo)致人們認(rèn)識(shí)和了解世界能力的喪失,比如盲人的觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)就比常人發(fā)達(dá)。因此,可利用這個(gè)特點(diǎn),通過(guò)多途徑了解和獲取信息,以減輕個(gè)別感官的負(fù)擔(dān),甚至避免錯(cuò)誤信息的產(chǎn)生。

1 觸覺(jué)與振動(dòng)觸覺(jué)

觸覺(jué)(haptic,tactile sense)是生物體與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的重要感覺(jué)功能,是對(duì)接觸、滑動(dòng)、壓力等機(jī)械刺激的反應(yīng),是通過(guò)接觸刺激作用于觸覺(jué)感受器而引起的。觸覺(jué)是動(dòng)物所具有的原始感覺(jué),其產(chǎn)生是生命進(jìn)化過(guò)程中的重要事件,它使得生物可以感覺(jué)到外界情況,從而去適應(yīng)現(xiàn)狀、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。觸覺(jué)可誘發(fā)動(dòng)物身體收縮、蜷曲、無(wú)定位運(yùn)動(dòng)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(dòng)物的觸覺(jué)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(jué)的人的觸覺(jué)感受器有 4種觸覺(jué)小體和毛根的游離神經(jīng)末梢 (觸須)。

與觸覺(jué)類(lèi)似的是壓覺(jué) (piesesthesia,pressure sense)和振動(dòng)覺(jué)(pallesthesia,sense of vibration)。壓覺(jué)是感受適宜刺激的外力持續(xù)作用的或強(qiáng)力的可達(dá)到比較深層的感覺(jué)。振動(dòng)覺(jué)則是感受振動(dòng)刺激的感覺(jué),對(duì)于人體來(lái)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(shí),對(duì)持續(xù)性刺激神經(jīng)放電稱(chēng)為壓覺(jué),而非持續(xù)性的少量放電則稱(chēng)為觸覺(jué)。壓覺(jué)放電的適應(yīng)慢,觸覺(jué)適應(yīng)快。振動(dòng)覺(jué)則介于兩者之間,也有一些學(xué)者將振動(dòng)覺(jué)歸為觸覺(jué),因此又稱(chēng)為振動(dòng)觸覺(jué) (vibrotactile)。

振動(dòng)覺(jué)與觸覺(jué)關(guān)系密切,是動(dòng)物重要的定位手段,例如除掉觸須的貓和鼠就會(huì)導(dǎo)致定位困難,行為莽撞。在動(dòng)物界還可觀察到以觸覺(jué)感受器和特別的振動(dòng)覺(jué)器官為媒介的振動(dòng)覺(jué)發(fā)達(dá)的情況,特別是某些低等動(dòng)物,振動(dòng)覺(jué)與觸覺(jué)一起成為決定其行為的重要感覺(jué)之一。主要以觸覺(jué)來(lái)認(rèn)識(shí)生活環(huán)境及其變化的動(dòng)物 (如蚯蚓)稱(chēng)為觸覺(jué)動(dòng)物。

節(jié)肢動(dòng)物對(duì)通過(guò)固體、水、空氣傳導(dǎo)而來(lái)的振動(dòng)十分敏感,它的感受器中有感覺(jué)毛和鐘形感覺(jué)體。如蠊的尾毛相應(yīng)于空氣的流動(dòng)在脛節(jié)存在對(duì)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(yùn)動(dòng)都具有對(duì)風(fēng)向、風(fēng)強(qiáng)的感知能力;蜘蛛對(duì)網(wǎng)上獵物生死的判斷也是依據(jù)一定的振動(dòng)形式;水生脊椎動(dòng)物的側(cè)線器對(duì)水流、水波、水壓變化有很好的反應(yīng)。除對(duì)低頻敏感外,側(cè)線器的感覺(jué)細(xì)胞與在高等動(dòng)物所見(jiàn)的內(nèi)耳毛細(xì)胞是相同的。

2 振動(dòng)觸覺(jué)的特點(diǎn)

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

振動(dòng)感受器的感受性有一定的頻率極限,即閾值。當(dāng)振動(dòng)刺激低于或高于一定頻率時(shí),不會(huì)引起振動(dòng)覺(jué)。除振動(dòng)頻率外,刺激強(qiáng)度及刺激的皮膚部位和接觸面積也對(duì)振動(dòng)覺(jué)有較大影響。振動(dòng)感受性還具有空間和時(shí)間總合的效應(yīng)。如果振動(dòng)刺激作用于皮膚的面積增大,將出現(xiàn)空間總合,導(dǎo)致強(qiáng)度絕對(duì)閾限下降。如果同時(shí)刺激 2個(gè)鄰近的皮膚點(diǎn)或身體的 2個(gè)對(duì)稱(chēng)部位,也會(huì)出現(xiàn)空間總合。另外,在一定范圍內(nèi),如果振動(dòng)刺激的作用時(shí)間不斷增加而出現(xiàn)時(shí)間總合,強(qiáng)度絕對(duì)閾限則會(huì)下降,故振動(dòng)刺激的長(zhǎng)期作用可導(dǎo)致適應(yīng),使振動(dòng)感受性降低。

振動(dòng)信號(hào)和視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)信號(hào)一樣可同時(shí)被感知,且振動(dòng)觸覺(jué)也具有全方向的感覺(jué)能力。振動(dòng)觸覺(jué)通常根據(jù)周期差異來(lái)分辨不同振動(dòng)信號(hào),分辨功能在大腦皮層內(nèi)完成[2]。如果要正確理解振動(dòng)觸覺(jué)語(yǔ)言,必須注意振動(dòng)觸覺(jué)語(yǔ)言的關(guān)鍵特性[3],包括頻率、振幅、波形、持續(xù)時(shí)間、節(jié)奏,身體位置和時(shí)空模型等。

2.1 頻率 人可以覺(jué)察到的振動(dòng)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(gè)左右。振幅的變化會(huì)在一定程度上導(dǎo)致頻率感覺(jué)的變化。

2.2 振幅 亦即刺激強(qiáng)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(shí)差異顯著,28.0 dB以上時(shí)感覺(jué)開(kāi)始惡化,55.0 dB以上開(kāi)始有疼痛感。

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

2.4 時(shí)間 刺激持續(xù)時(shí)間小于 0.1 s可產(chǎn)生輕拍的感覺(jué),長(zhǎng)時(shí)間刺激產(chǎn)生的則是刺戳的感覺(jué),當(dāng)刺激遞增或衰減的時(shí)候,可以感覺(jué)到平滑的觸覺(jué)感覺(jué)。

2.5 節(jié)奏 當(dāng)在皮膚的同一區(qū)域有多個(gè)刺激時(shí),持續(xù)時(shí)間的差異可以被用作對(duì)不同刺激進(jìn)行分組,不同持續(xù)時(shí)間的脈沖組合,也可構(gòu)成節(jié)奏單元。

3 振動(dòng)觸覺(jué)的應(yīng)用研究

3.1 輔助信息獲取 我們都知道,設(shè)為振動(dòng)的手機(jī)能提示短信、來(lái)電或者定時(shí)等信息,耳機(jī)能帶來(lái)聲音和音樂(lè),助聽(tīng)器能幫助有聽(tīng)力障礙的人感知外界聲音等。事實(shí)上,通過(guò)振動(dòng)人們獲取的信息可以更多。在危險(xiǎn)領(lǐng)域如消防救災(zāi)和戰(zhàn)場(chǎng)等領(lǐng)域[4],由于客觀存在的原因,操作者可能短期或長(zhǎng)期無(wú)法通過(guò)視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)來(lái)獲取信息,從而影響到指揮。但是完全可以利用振動(dòng)觸覺(jué)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(dòng)觸覺(jué)的裝置——振動(dòng)觸覺(jué)腰帶 (vibrotactile belt)和振動(dòng)背心 (tactavest),它們能在步兵實(shí)戰(zhàn)障礙演習(xí)中傳遞一些簡(jiǎn)單的信息。美國(guó)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(gè)輕擊意味著一個(gè)有敵意的人走近,一個(gè)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(jué)視野,特別是在復(fù)雜空域或存在高加速度時(shí),飛行員常發(fā)生空間定向錯(cuò)覺(jué) (spatial disorientation,SD),這對(duì)飛行是非常危險(xiǎn)的[5,6]。SD是相對(duì)地面或其他飛行器產(chǎn)生的對(duì)高度、位置和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的錯(cuò)誤認(rèn)知,是引起空難的重要因素之一。如果通過(guò)激活不同的感覺(jué)器官[7](如視覺(jué)符號(hào)、三維音響和振動(dòng)觸覺(jué)信號(hào)等)警示飛行員處于危險(xiǎn)定向狀態(tài),有助于減少飛行錯(cuò)覺(jué)[8],對(duì)保障飛行安全具有重要意義。Ernst指出人的視覺(jué)偏差直接依賴(lài)于力/觸覺(jué)信息的修正[9]。據(jù)此,國(guó)外已開(kāi)始研制振動(dòng)觸覺(jué)服或振動(dòng)背心。振動(dòng)觸覺(jué)服包含數(shù)個(gè)振動(dòng)元件,每個(gè)振動(dòng)元件在服裝上的位置是固定的,著裝時(shí)也就相對(duì)的固定在機(jī)體某個(gè)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(dòng)觸覺(jué)服也可用于輔助宇航員進(jìn)行空間定向,對(duì)有嚴(yán)重前庭障礙的人也有很大幫助。

3.3 輔助運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練 荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織研發(fā)出一種被稱(chēng)為“振動(dòng)墊”的運(yùn)動(dòng)服,有助于提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。這種觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)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(jué)信號(hào),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(zhēng)取更佳成績(jī)。該研究組織稱(chēng),運(yùn)動(dòng)員對(duì)觸覺(jué)信號(hào)的反應(yīng),較他們對(duì)教練吶喊聲的反應(yīng)更迅速。目前這種觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)服正在劃艇運(yùn)動(dòng)員中進(jìn)行測(cè)試。振動(dòng)墊綁在接受測(cè)試的運(yùn)動(dòng)員的腳踝和腰上,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)不理想時(shí),振動(dòng)墊會(huì)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(lè)可使患兒愉悅,肌肉痙攣緩解并放松。他認(rèn)為,這些癥狀和體征的改善是音樂(lè)聲波振動(dòng)所致,便著手研究體感振動(dòng)音樂(lè)治療技術(shù),后來(lái)發(fā)展成體感振動(dòng)音樂(lè)療法。體感振動(dòng)音樂(lè)療法使用專(zhuān)用音響,讓人平躺在上面,全身宛若漂浮在音樂(lè)聲波當(dāng)中。臨床觀察表明,體感振動(dòng)音樂(lè)治療方法能緩解失眠、過(guò)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(guó)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、疼痛專(zhuān)科、針灸、褥瘡的預(yù)防和治療等方面。

3.5 輔助心理減壓 體感振動(dòng)音樂(lè)還用于心理減壓,減輕個(gè)體抑郁、焦慮和神經(jīng)過(guò)敏等狀況。2006年,中國(guó)國(guó)家體育總局體科所歷時(shí) 1年多對(duì) 59名中國(guó)現(xiàn)役優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員 (國(guó)家、國(guó)際運(yùn)動(dòng)健將)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果證明對(duì)緩解運(yùn)動(dòng)員心理和生理疲勞具有明顯效果,甚至對(duì)激發(fā)潛能起到一定作用。2007年,中國(guó)音樂(lè)治療學(xué)會(huì)功能音樂(lè)研發(fā)中心選定體感振動(dòng)音響研發(fā)“生物共振音樂(lè)治療系統(tǒng)”,成為各精神衛(wèi)生中心、綜合醫(yī)院音樂(lè)治療室、心理門(mén)診減壓中心的首選配置。

4 應(yīng)用展望

振動(dòng)觸覺(jué)有較好的帶寬且在實(shí)際工作中容易實(shí)現(xiàn) (如使用鈍針、音圈或壓電晶體等產(chǎn)生振動(dòng))[10],是輔助視覺(jué)等其他感覺(jué)的一種有效方式[11],振動(dòng)觸覺(jué)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(dòng)觸覺(jué)的研究已廣受世界各國(guó)的重視,未來(lái)也許有更多的用途,商業(yè)應(yīng)用價(jià)值巨大,比如輔助平衡、輔助聽(tīng)力,用于醫(yī)學(xué)訓(xùn)練或游戲系統(tǒng),跟蹤危險(xiǎn)環(huán)境人員的行為[4],還能用于防止交通事故[13]等。當(dāng)然,振動(dòng)觸覺(jué)只是輔助提供信息,并不能完全替代視覺(jué)或其他機(jī)體感覺(jué)。

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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(duì)觸覺(jué)的敏感度不同。

2.7 時(shí)空模型 觸覺(jué)刺激可以在身體上產(chǎn)生二維觸覺(jué)圖案,改變時(shí)間和位置編碼信息,觸覺(jué)圖案可以在身體上移動(dòng)和改變。

2010-11-06)

(本文編輯：施 莼)