织物类材料的触觉传感机制研究

触觉传感是皮肤机械感受器（简称感受器）对作用于皮肤表面而产生的机械刺激信息的激励响应。纺织类材料的触觉传感机制是研发以织物为对象的触觉传感技术和装备的基础。采用触觉认知的神经力学原理，以指尖触摸织物时产生的生物力学现象和神经响应为研究对象，分析皮肤/织物接触系统的静、动态摩擦规律，建立指尖触摸织物的粘弹性接触力学模型，计算织物刺激作用时产生的皮肤变形在时空域内的特征分量，研究织物的机械物理属性与皮肤变形之间的关系。然后，基于指尖解剖结构的粘弹性力学模型，结合皮肤中不同类型感受器的电生理实验结果，建立感受器的神经动力学模型。应用上述模型探索织物的触觉传感机制，以织物刺激作用下皮肤在时空域中的特征变形量为输入参数，研究感受器的刺激响应特征，论证织物的机械物理性能与皮肤中不同感受器的诱发生物电信号之间的动力学关系。通过研究，解释织物的触觉传感机制，认识触觉传感技术及装备设计的神经生理学原理。

触觉传感技术在消费品设计、医疗及娱乐装备开发中的应用日益增多，然而目前对人类触觉认知的不足制约了此类技术的发展。触觉传感技术的核心是确定所接触刺激的触觉传递关系。为了阐明织物类材料的触觉传感机理，课题围绕手指触摸物体表面时获取表面质地及纹理信息的方式展开。一方面，开发了记录人手主动触摸物体表面所诱发的摩擦振动信号的实验平台，以此建立了表面触觉信息的采集与仿生分析方法，确定了皮肤/织物的接触摩擦机理及多尺度分析方法；展开了典型触觉质地的感官评价实验，发现织物类材料的触觉质地具有各自的感知模式及对应的材料特性；分析了织物类材料基本设计参数的触觉传递，发现织物结构设计参数决定的表面纹理结构、摩擦振动谱、典型触觉质感之间的传递关系不同于硬质纹理材料。另一方面，建立了织物-皮肤-触觉感受体三者耦合的神经力学模型，探索形成诸如刺痒感、粗糙感、柔软感等主要织物类材料品质指标的触觉传感机理，发现三者的触觉判断基于皮肤触觉感受体群的诱发神经活动，且织物材质特征、诱发神经活动和感知强度之间存在显著的非线性关系。总之，摩擦信号谱特征、触觉感受体群的诱发发放频率与织物材质特征之间具有一一映射关系，在频域和时域的振动谱特征分别反映了织物表面的不同特质，所取得的研究结果达到了预期目标，但对应的谱带带宽及其与触觉特性的关系还有待进一步研究。