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化学触觉:我们能在虚拟世界感受真实触感吗?

2022-10-27 13:06:00   来源:网络   阅读量:1814
化学触觉:我们能在虚拟世界感受真实触感吗?

这两年超宇宙这个概念火了,似乎这是一个可以改变人类未来的东西。不考虑商业前景,一些研究人员真的致力于将虚拟现实与数字生活结合起来。有一个问题:在虚拟世界中,你能体验到和现实一样的冷热酸甜的感觉吗?化学触摸可能会告诉我们答案。

警报突然响起,他迅速离开了现场。就在他到达出口时,突然发生了爆炸。火星溅到他身上,让他感到刺痛。外面,天空飘着雪花,寒意袭人。他发现是旁边核反应室的警报。他去探查,却发现手臂瘫痪无力。他终于打开门,看到房间里热浪滚滚。他的全身被一种燃烧的窒息感包围着...

然而,当他摘下VR头盔时,一切都结束了。

这是一次模拟体验。那些感知的变化,无论是冷或热,还是手脚的麻木和拉伸,都不是真的来自于他所处的环境。他所感受到的是几种化学物质通过一种可穿戴设备接触皮肤后产生的:手臂的麻木和僵硬是由于里卡尔多因与皮肤接触;打在脸上的热浪是因为辣椒素释放到脸上;刺痛感来自山奈酚,最后的冷感是薄荷醇的作用。

这个令人难以置信的可穿戴设备利用了一种叫做“化学触摸”的技术。事实上,化学物质已经被用来理解触觉机制。20世纪90年代,对薄荷醇和辣椒素的研究帮助我们了解了当身体受到冷热刺激时会有什么反应。现在,芝加哥大学的Jasmine Lu和她的同事正在应用这一知识创造一种由化学物质诱导的“触觉”。

Haptics,直接翻译为“触摸”,可以指任何与触觉、触摸有关的意思,但现在更多的是作为触摸技术的简称。触摸技术可以在没有直接接触的情况下产生触摸。这并不是一个新词,在日常生活中,触觉技术的设备随处可见。比如iphone 13上的home键不是实体按键,不能按,而是通过感应振动来“假装”被按——这或许是我们身边最常见的触觉技术应用。

触觉技术的应用远不止一个小小的电话按键。触觉设备可以帮助中风患者恢复手臂的感觉,也可以为医学生的心肺复苏训练提供逼真的触觉反馈。2019年,香港研究人员开发出一种虚拟皮肤,可以“拥抱”世界各地的亲人。

这些设备的局限性在于,它们大多是通过力或振动来实现功能的,所以只能使用一种形式的触觉机制——压力,而我们的皮肤所能感知的远不止压力。例如,如果你触摸一个冰块和一个烙铁,显然,这两个物体给你的感觉是不同的,这意味着你的皮肤感受到了除压力之外的其他种类的刺激。触觉是由皮肤中各种感受器的共同作用产生的。皮肤有感知冷热的温度感受器,感知振动和压力的机械感受器,以及感知疼痛的伤害感受器。然后,如果所有这些感觉都可以被模拟并集成到同一个设备中,就可以重现极其逼真的触觉。

化学触觉技术的目的是用化学物质“在一个包裹中”模拟这些冷、热、振动和压力的感觉。这个方案是可行的。与Jasmine Lu同在一个研究团队的Jas Brooks早前设计了一款VR头盔,它可以向鼻腔的三叉神经释放薄荷醇和辣椒素等化学物质,然后三叉神经可以向大脑传递冷热的感觉。此外,用户想到冷或热不仅仅是因为他们闻到了薄荷醇或辣椒素,还因为三叉神经正在明确地告诉大脑环境的温度发生了变化。

但是说实话,用这个设备真的是虐。让辣椒素直接泵入鼻腔,火辣的感觉传达的非常准确。想想那种直冲头顶的麻辣感就够了。很明显,这种设备虽然有效,但是很少有人愿意用。所以茉莉路想找到一种绕过鼻子,直接通过皮肤产生触感的方法。那么,化学物质是如何作用于皮肤产生各种感觉的呢?巧合的是,有人完美回答了这个问题。

辣椒素和薄荷醇的启示

20世纪90年代初,加州大学的大卫·朱利叶斯想要找到一种止痛药来替代阿片类药物。但首先,他需要从分子生物学上了解人体是如何感知疼痛的,以及触觉的信号通道是如何加强的。

他和他的同事创建了一个包含数百万DNA片段的数据库,每个片段对应于神经元中可以对疼痛、热量和触摸做出反应的基因。既然辣椒素能让皮肤有灼烧感,那么细胞上一定有能对辣椒素产生反应的受体,这些DNA片段中一定有编码这种受体蛋白的基因。经过长时间的研究,1997年,他们终于确定了一种名为TRPV1的受体。TRPV1位于伤害感受神经元的细胞膜上。当受到辣椒素刺激时,TRPV1会打开离子通道做出反应。有趣的是,TRPV1也会被热刺激激活。当它遇到43℃以上的高温时,TRPV1会释放出同样的电信号,并传递给大脑——所以“辣”和“热”带给我们的感受是相似的。

这个结论可以解释很多关于辣的现象。我们经常会把“酸甜苦辣”放在一起提,但是仔细想想就知道,辣和其他三种味道明显不同。比如用刚切辣椒的手揉眼睛,眼睛会有灼热感,而用刚摸蛋糕的手揉眼睛,眼睛就不会有甜味。还有,冬天吃火锅,嘴里感觉辣辣的,身体感觉越来越暖。这些例子都在提醒我们,辛辣的食物与辛辣的食物有着同样的联系。辣不是一种味道,本质上是一种“辣感”。

大卫·朱利叶斯(David Julius)等人对感受器、神经元、受体和离子通道组成的复杂系统进行了持续多年的详细研究,我们无尽而奇妙的触觉感受来自于它们的共同作用。这项研究的另一个关键人物Ardenpataputian以薄荷醇为研究对象,发现了皮肤“冷感”的机制,进而发现了皮肤上的压力感受器。这些作品让人们逐渐明白了什么是感动。2021年,David Julius和Ardem Patapoutian因发现温度和触觉感受器而获得诺贝尔生理学和医学奖。

他们的工作也启发了茉莉·卢,所以她重新设计了实验计划。她没有创造一个热环境,施加力或振动来实现触觉技术,而是尝试使用化学物质直接刺激皮肤,触发皮肤中的受体来模拟与触觉有关的各种感觉。

我们能感受到来自化学物质的刺激,是因为细胞上的受体可以与化学分子相互作用,然后做出反应,将信号传递给大脑。在大多数人的固有认知中,这个过程主要体现在嗅觉和味觉上。但是,如果只停留在这里,显然是低估了受体。

嗅觉的感受器在鼻腔,味觉的感受器在舌头上。事实上,你可以想象,即使没有鼻子和舌头,也会有第三种“化学感觉”。比如涂风油精,会觉得凉凉的。这就是薄荷醇的作用,这种作用根本不会通过鼻子和舌头。再比如,当你嚼辣椒的时候,不仅嘴里火辣辣的,嘴唇也像针扎一样。这是因为胡椒中有一种叫做山奈酚的关键成分,它会与你嘴唇皮肤上的痛觉感受器和机械感受器相互作用,就好像一匹振动的小马被放在你的嘴唇上,所以你会感到刺痛的感觉。可见,对化学刺激做出反应的感受器不仅存在于鼻子和舌头,而且化学物质引起的感觉也不仅限于嗅觉和味觉。

那么,如何定义、命名和描述这第三种“化学感觉”呢?

1912年,美国动物学家乔治·h·帕克(George H. Parker)提出了“普通化学感觉”的概念,用来描述动物对化学物质的敏感性。通过动物实验,帕克认为这是一种广泛存在于神经系统中的特性,而不是味觉和嗅觉神经的特性。20世纪50年代的研究表明,这种“普通化学感觉”至少部分是由痛觉感受器的感受器介导的,“普通化学感觉”实际上是一种特殊的痛觉。前面提到的对辣椒素和薄荷醇的研究,也让人们意识到“普通的化学感觉”和温度感可能是一回事。直到20世纪90年代才提出“化学感觉”的概念来代替“普通化学感觉”来描述这第三种化学感觉。根据定义,化学物理感觉是一种具有痛觉、温度觉和触觉复合感觉特征的身体感觉。

不难发现,化学物理感和化学触觉的含义有一些重叠。但不管它叫什么名字,你已经是这个概念的“消费用户”了。你买的一些药膏会用高浓度冬青油在皮肤上制造吸热反应,可以缓解疼痛;你用的一些护肤品会用辣椒素来促进血液循环;你每天使用的牙膏,清新感大多来自薄荷醇。

有前景,也有局限。

现在,Jasmine Lu的团队已经将这种化学触觉技术应用到了VR中。他们创造了一种可穿戴设备,将化学物质储存在可穿戴设备中,并通过微型泵推动它们通过向皮肤开放的通道,使皮肤在通过时可以接触甚至吸收试剂,从而产生各种感觉:山奈酚用于产生刺痛感,辣椒素可以模拟热量,薄荷醇可以产生冷感,肉桂醛用于引发瘙痒,利多卡因是一种常见的麻醉剂,可以使皮肤麻木和变硬。因此,它可以帮助创建一个现实的虚拟世界。这对于游戏世界游的不错的玩家来说,无疑是一个振奋人心的消息。但是这种体验能完全代替真实的触觉吗?如果不是,这两种“触觉”有什么区别?

在2021年的用户界面软件和技术大会上,他们发布了一段虚拟现实场景的视频,视频中一个人正戴着他们设计的可穿戴设备“体验”一场惊心动魄的核事故——也就是本文开头的场景。

然而,并不是每个人都对这项技术感到兴奋,甚至,并不是每个人都认同它的重要性。至少在某些领域的从业者看来,摸是一种具有社会学意义的行为。它不仅是一个动作,有时也是一种情感联系的象征,不能简单粗暴地用冷、热、痛、麻来概括和代替——比如刷牙时用手指触摸猫毛的感觉是温柔的、舒缓的、非常减压的,用几种化学物质很难再现。

这些质疑的声音也揭示了这项技术的局限性。猫为什么这么解压?答案在于调节这种触摸的神经纤维。与冷或热、痛或痒的感觉不同,摸猫的感觉是一种情绪上的触摸,由一种特殊的神经纤维——CT纤维支配。CT纤维只对缓慢、温和的触摸有反应,例如每秒移动约5厘米的触摸刺激。摸猫就是这种刺激,按摩时让我们最舒服的频率也差不多。顾名思义,它之所以被称为“情感触觉”,是因为它能与人的心理机能和情感体验相联系。陆茉莉的化学触觉系统可以模拟所有的辨别性触觉,但对于情感性触觉却无能为力。这确实是化学触觉技术的局限性,原则上不能真正模拟全方位的触感。即便如此,其前景依然看好。

其实很多人对这项技术有误解。化学触觉技术并不是为了取代真实的触觉,就像无论多么逼真的VR,都不会有人认为自己可以生活在VR里。化学触觉设备真正的应用场景是,它可以增强在数字世界中的体验,使我们能够在虚拟的情境中做和体验日常生活中做不到的事情——例如,它可以代替消防员的部分训练,因为它可以模拟火灾中的一些感受,而不需要实际身处火灾中。

或者我们可以说,Jasmine Lu团队开发的化学触觉技术与VR领域的发展是互为成功的。事实上,人们在虚拟现实中的体验是足够真实的,这也是为什么“超宇宙”成为目前最热门的概念之一。然而,如果我们想要达到与现实世界相媲美的感觉,我们可能需要在视觉和听觉之外模拟更丰富、更多样的感觉——确切地说,它是一个完整、全面的感觉,包括“辨别触觉”和冷、热、痛、麻的舒适。

参考数据

人工触摸:使虚拟现实更加身临其境的新技术。新科学家。第3378期。

出品:科普中国

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