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        化學觸覺:我們能在虛擬世界感受真實觸感嗎?

        2022-11-26 08:13:20
        大眾科學 2022年11期
        關鍵詞:薄荷醇辣椒素化學物質

        近兩年,“元宇宙”一詞大火,似乎這是能改變人類未來的東西。無論商業(yè)前景如何,一些研究人員確實在致力于讓虛擬現(xiàn)實和數(shù)字人生結合。這其中就有一個問題:在虛擬世界能體驗到現(xiàn)實一樣冷熱酸甜的感覺嗎?化學觸覺,或許可以告訴我們答案。

        “警報突然響起,他快速離開現(xiàn)場,剛走到出口時卻突然發(fā)生爆炸,火星濺落到他身上,令他感到陣陣刺痛。來到外面,天空中飄著雪花,寒意襲來,他發(fā)現(xiàn)原來是旁邊核反應室里發(fā)出的警報。他前往探查,卻發(fā)現(xiàn)手臂麻痹無力,好不容易打開房門,只見房間內熱浪滾滾,他周身被一股灼燒的窒息感包圍。但是,當他摘下VR頭盔,一切都終止了?!?/p>

        這是一次模擬體驗。那些知覺上的變化,是幾種化學物質通過一個可穿戴設備接觸到皮膚之后所產生的:手臂麻木僵硬,是因為利卡多因接觸到了皮膚;撲面而來的熱浪,是因為辣椒素被釋放到面部;刺痛的感覺來自山椒醇,而最后那種冰涼的感覺則是薄荷醇的作用。

        這個神奇的可穿戴設備,利用的是一種叫作“化學觸覺”(chemical haptics)的技術。事實上,化學物質一直被用來理解觸覺機制。20世紀90年代,關于薄荷醇和辣椒素的研究,幫助我們明確了身體在遇到冷熱刺激后會如何做出反應?,F(xiàn)在,芝加哥大學的Jasmine Lu和她的同事正在應用這方面的知識,來制造一種由化學物質誘導產生的“觸覺”。

        觸覺,不止接觸

        觸覺技術能在無須直接接觸的情形下產生觸感。它并不是一個新鮮詞,應用了觸覺技術的設備在日常生活中隨處可見。比如:iphone13上的home鍵并不是一個實體按鍵,它不能被按下,而是通過感知振動“假裝”被按了下去一這或許是觸覺技術在我們身邊最常見的應用。

        這類設備的局限,在于它們大多通過力或振動來實現(xiàn)功能,因此它們只能使用觸覺機制的一種形式——壓力,而我們的皮膚能感知到的遠遠不止壓力這個因素。比如,你摸到一塊冰塊和一塊烙鐵,很顯然,這兩個物體帶給你的感覺是不同的,這說明在壓力之外,你的皮膚還感覺到了其他類型的刺激。觸覺是由皮膚中各種各樣的感受器共同作用產生的,那么,如果能把這些感覺全部模擬出來并且集成到同一個設備里,就可以復制一種極度逼真的觸覺。

        化學觸覺技術的用意,就是用化學物質把這些冷、熱、振動、壓力等感覺“一攬子”模擬出來的。與Jasmine Lu同在一個研究團隊的Jas Brooks早先曾經設計過一個VR頭盔,它能將薄荷醇、辣椒素等化學物質釋放到鼻腔的三叉神經處,然后三叉神經就能將冷熱的感覺傳達給大腦。而且,使用者不僅僅是因為聞到了薄荷醇或者辣椒素的氣味而聯(lián)想到了冷和熱,他們之所以有冷熱的感覺,還因為三叉神經在明明白白地“告訴”大腦:現(xiàn)在環(huán)境的溫度就是變了。

        但是使用這個設備不夠友好,讓辣椒素直接泵入鼻腔,確實可以很直觀地傳達熱的感覺,但是“辣”的刺激也很強烈。所以,Jasmine Lu想要尋找一種能繞過鼻子、直接通過皮膚產生觸覺的途徑。那么,化學物質如何作用于皮膚產生種種感覺呢?

        辣椒素和薄荷醇給出的啟示

        上世紀90年代初,加利福尼亞大學的戴維·朱利烏斯(David Julius)想要尋找一種替代阿片類的止痛藥。但是首先,他需要從分子生物學上了解人體是如何感知到疼痛的,以及觸覺的信號通道是如何被強化的。

        他和同事創(chuàng)建了一個由幾百萬個DNA片段組成的資源庫,每一個片段都與神經元中能對疼痛、熱和觸感做出反應的基因相對應。在1997年,他們終于識別出了一個叫作TRPV1的受體。TRPV1位于傷害性感受神經元的細胞膜上,當受到辣椒素的刺激時,TRPV1會打開離子通道做出響應。有意思的是,TRPV1同樣會被熱刺激激活,當遇到43℃以上的高溫時,TRPV1會釋放一模一樣的電信號并傳達給大腦——所以“辣”和“熱”帶給我們的感受是很相似的。

        我們常常把“酸甜苦辣”并提,但其實仔細一想就知道,辣和其他三味明顯不同。舉個例子,如果你用剛剛切過辣椒的手揉了眼睛,你的眼睛也會感到火辣辣的,而如果用剛剛摸過蛋糕的手去揉眼睛,眼睛并不會感到甜。這個例證在提示我們,辣和熱有著異曲同工的關聯(lián),辣并不是一種味覺,它本質上是一種“熱覺”。

        David Julius等人繼續(xù)用了多年時間,詳細研究了由感受器、神經元、受體和離子通道組成的復雜體系,我們那些層出不窮又妙不可言的觸覺感受就來自于它們的共同作用。這項研究中的另一位核心人物阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以薄荷醇為研究對象發(fā)現(xiàn)了皮膚產生“冷覺”的機制,隨后又發(fā)現(xiàn)了皮膚上的壓力感受器。這些工作讓人們逐漸理解了何為觸覺。2021年,David Julius和Ardem Patapoutian因為發(fā)現(xiàn)了溫度和觸覺感受器而獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。

        他們的工作也給了Jasmine Lu很大的啟發(fā),她因此重新制定了實驗方案。她不再通過創(chuàng)造熱環(huán)境、施加力或振動來實現(xiàn)觸覺技術,而是試圖使用化學物質直接刺激皮膚,并觸發(fā)皮膚中的受體來模擬與觸覺相關的種種感覺。

        2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主戴維.朱利烏斯(左)和阿登·帕塔普蒂安

        第三種“化學感覺”

        我們能感覺到來自化學物質的刺激,是因為細胞上的受體能與化學分子相互作用,然后做出響應并將信號傳遞給大腦。在大多數(shù)人的固有認知里,這個過程主要體現(xiàn)為嗅覺和味覺。不過,如果你的想法只停留在這兒,顯然就低估了受體。

        嗅覺的受體在鼻腔,味覺的受體在舌頭上,其實你能想象即使沒有鼻子和舌頭,也還會有第三種“化學感覺”存在。比如,你咀嚼花椒的時候,不僅口腔里麻麻辣辣的,嘴唇也會有針刺似的感覺,這是因為花椒中有一種關鍵成分叫作山椒醇,它會與嘴唇皮膚上的痛覺感受器和機械感受器發(fā)生作用,就好像有個振動小馬達放在嘴唇上似的,所以你會感到有一種刺痛感。可見,響應化學刺激的受體不僅存在于鼻子和舌頭,化學物質引發(fā)的感覺也不局限于嗅覺和味覺。

        1912年,美國動物學家GeorgeH·Parker提出了“共同化學感覺”的概念,用來描述動物身上(尤其是皮膚)的化學感受性得的多,Parker通過動物實驗,認為這是廣泛存在于神經系統(tǒng)的性質,而非味覺和嗅覺神經的特性。到了20世紀90年代,才有人提出用“化學物理覺”(chemesthesis)這個概念替代“共同化學感覺”,來描述這第三種化學感覺。

        有前景,亦有局限

        現(xiàn)在,Jasmine Lu的團隊把這種化學觸覺技術應用到了VR方面。他們創(chuàng)建了一種可穿戴設備,將化學物質儲存在可穿戴設備里,并通過微型泵推動著流經對皮膚開放的通道,讓皮膚在試劑通過時接觸到甚至吸收它們,進而產生種種感覺。但是,我們能完全用這種體驗替代真實的觸覺嗎?如果不能,這兩種“觸覺”的差別在哪里呢?

        在2021年的用戶界面軟件與技術大會(User InterfaceSoftware and Technology conference)上,他們發(fā)布了一則視頻,視頻中是一個虛擬現(xiàn)實場景,一個人佩戴著他們設計的可穿戴設備,正在“經歷”一次驚險刺激的核事故——也就是本文開頭的那個場景。

        不過,并不是所有人都對這一技術感到興奮,至少在有些領域的從業(yè)者看來,觸摸是具有社會學意義的一種行為,它不單單是一個動作,有時還象征著情感連接,是不能簡單粗暴地用冷、熱、疼、麻來概括和取代的。

        這些質疑的聲音也揭示了這一技術的局限性。為什么擼貓時會感到解壓?答案就在介導這一類觸覺的神經纖維上。不同于感知冷或熱、痛或癢的那種觸覺(被稱為辨別性觸覺,discriminativetouch),擼貓時的觸覺是一種情感性觸覺(affectivetouch),它由一種特殊的神經纖維——CT纖維主導。 CT纖維只對緩慢的、輕柔的觸摸有響應,例如每秒移動5厘米左右的觸摸刺激。擼貓時的觸摸就是這種類型的刺激。顧名思義,之所以叫作“情感性”觸覺,是因為它能與人們的心理作用和情緒體驗產生聯(lián)系。Jasmine Lu的化學觸覺系統(tǒng)能夠模擬出來的都是辨別性觸覺,對于情感性觸覺是無能為力的。這確實是化學觸覺技術的局限,但即便如此,它的前景依然令人期待。

        或者我們可以說,Jasmine Lu團隊開發(fā)的這種化學觸覺技術,是與VR領域的發(fā)展相互成就的。事實上,人們在虛擬現(xiàn)實中的體驗已經,足夠逼真,也正因如此,“元宇宙”才會成為當下最火熱的概念之一,但是,我們要想達到媲美真實世界的感覺,可能還需要在視覺和聽覺以外,模擬出更豐富更多樣的感覺——確切地說,是一種完整又全面的,包含了冷、熱、痛、麻等辨別性觸覺和令人舒服的“情感性觸覺”。

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