粗糙表面的摩擦觸覺(jué)感知研究

唐 瑋,張梅梅,楊 雷,朱 華,彭玉興

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

產(chǎn)品表面如同其皮膚，其觸覺(jué)質(zhì)感直接影響產(chǎn)品的觸摸舒適度和抓握可靠性，是材料表面設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)和銷售的重要影響因素.研究表明材料表面觸覺(jué)感知的3個(gè)維度，即粗糙/光滑感、柔軟/堅(jiān)硬感和黏著/滑溜感以復(fù)雜的方式相互作用[1-3]，其中表面粗糙感是研究最廣泛的觸感影響因素[4].

粗糙感的形成是1個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)傳導(dǎo)與加工過(guò)程，粗糙表面與皮膚動(dòng)態(tài)接觸引起的摩擦振動(dòng)給予皮膚內(nèi)觸覺(jué)感受體機(jī)械刺激，這些機(jī)械刺激被編碼成神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)神經(jīng)細(xì)胞之間的逐級(jí)傳遞，傳遞到大腦的軀體感覺(jué)皮層進(jìn)行觸感加工，再經(jīng)傳出神經(jīng)傳導(dǎo)至相應(yīng)的效應(yīng)器，做出觸感的反饋與判斷[5-6].可見(jiàn)，摩擦振動(dòng)是粗糙感的“激發(fā)器”，大腦是粗糙感的“信息處理器”.粗糙觸感的研究涉及到皮膚的“感”、大腦的“知”和主觀的“評(píng)”.其中，采用摩擦學(xué)方法研究皮膚觸感過(guò)程中的“感”，即皮膚與感知表面的摩擦振動(dòng)現(xiàn)象，是開(kāi)展最早也是最深入的研究方向，相關(guān)文獻(xiàn)主要是研究皮膚尤其是手指皮膚觸摸不同表面涉及的接觸摩擦學(xué)行為和機(jī)理[7-10].Fagiani等[11]通過(guò)分析手指觸摸織物表面的振動(dòng)信號(hào)，研究了織物表面粗糙度、表面形貌和觸摸速度與振動(dòng)頻譜的關(guān)系.張猛等[12]通過(guò)自主設(shè)計(jì)的手指觸摸摩擦試驗(yàn)裝置考察了表面粗糙度和手指接觸角度等因素對(duì)手指接觸摩擦過(guò)程的影響.張宇軒等[13]采用摩擦學(xué)方法系統(tǒng)研究了織物的表面結(jié)構(gòu)、親疏水性、干濕狀態(tài)以及接觸力值對(duì)皮膚摩擦特性的影響.

相較于皮膚的接觸摩擦特性研究，觸覺(jué)感知的神經(jīng)生理學(xué)研究開(kāi)展得相對(duì)較少，但是近幾年隨著腦電和腦成像技術(shù)的快速發(fā)展，使得采用無(wú)創(chuàng)性功能核磁共振(fMRI)和腦電圖(EEG)方法研究人體摩擦觸覺(jué)感知時(shí)的大腦反應(yīng)成為可能，相關(guān)研究?jī)?nèi)容涉及人腦對(duì)表面形貌特征(紋理特征、粗糙度等)、表面物理性能(溫度、彈性、黏性和硬度等)和材料質(zhì)地等的神經(jīng)反應(yīng)和認(rèn)知[14-16].將摩擦學(xué)、認(rèn)知行為學(xué)和大腦認(rèn)知結(jié)合的研究也有少量報(bào)道，但尚處于起步階段.例如，Skedung等[17]通過(guò)研究手指觸摸不同表面粗糙度紙張的感知粗糙度和摩擦系數(shù)，確定了感知粗糙度與材料表面粗糙度和手指摩擦系數(shù)之間的關(guān)系.Tymms等[18]利用3D打印技術(shù)控制粗糙表面的紋理參數(shù)，研究了表面紋理參數(shù)與粗糙感的關(guān)系.劉陶峰等[19]采用摩擦學(xué)和心理物理學(xué)研究方法，研究了手指與粗糙度較大的確定性紋理表面接觸時(shí)的摩擦感知機(jī)理，確定了手指皮膚摩擦過(guò)程中的黏著、滯后和互鎖作用對(duì)摩擦感知的影響程度.唐瑋等[20]采用摩擦學(xué)和功能核磁共振(Functional magnetic resonance imaging,fMRI)方法研究了觸摸不同尖銳度紋理的摩擦特性和大腦激活反應(yīng)強(qiáng)度和功能區(qū).陳思等[21]采用腦電(Electroencephalogram,EEG)方法研究了人主動(dòng)探索物體表面時(shí)表面摩擦阻力誘發(fā)腦電P300成分與摩擦系數(shù)的關(guān)系.

此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)缺少對(duì)觸覺(jué)質(zhì)感量化表征的研究報(bào)道，人們通常通過(guò)觸摸來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品品質(zhì)，觸覺(jué)質(zhì)感的定量表征對(duì)于觸膚產(chǎn)品品質(zhì)的科學(xué)評(píng)價(jià)具有重要意義.傳統(tǒng)觸覺(jué)質(zhì)感的表征方法主要通過(guò)行為觀察和問(wèn)卷對(duì)材料觸覺(jué)質(zhì)感做出語(yǔ)言描述和定性表征，這種主觀評(píng)價(jià)方法受到被調(diào)查個(gè)體差異和樣本量影響，評(píng)價(jià)結(jié)果嚴(yán)謹(jǐn)性、穩(wěn)定性及普遍性較弱，制約了觸覺(jué)感知評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性[22].科學(xué)系統(tǒng)地對(duì)產(chǎn)品的觸覺(jué)質(zhì)感進(jìn)行量化表征是1個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題，現(xiàn)有研究對(duì)于形成粗糙觸感的物理刺激量等關(guān)鍵問(wèn)題尚不明確，未形成粗糙觸感量化表征的有效方法.

因此本文中研究了手指觸摸不同粗糙表面的摩擦振動(dòng)特性，同時(shí)將腦電圖法和認(rèn)知行為學(xué)方法引入材料表面粗糙觸覺(jué)的研究中，研究目的之一是將材料表面粗糙特征與皮膚摩擦振動(dòng)特性、觸感激活腦電反應(yīng)以及人的主觀觸覺(jué)評(píng)價(jià)相聯(lián)系，從皮膚的“感”、大腦的“知”和主觀的“評(píng)”綜合研究材料表面粗糙度對(duì)觸感的影響規(guī)律；研究目的之二是通過(guò)對(duì)手指觸摸粗糙表面的摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，建立粗糙表面觸感與特征參數(shù)的關(guān)系，部分實(shí)現(xiàn)表面粗糙觸感的量化表征.研究成果可為產(chǎn)品觸感舒適性設(shè)計(jì)及抓握可靠性設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，為觸膚產(chǎn)品手感(側(cè)重于觸膚產(chǎn)品的物理性能)和觸膚產(chǎn)品舒適性(側(cè)重于觸膚產(chǎn)品的觸覺(jué)情感信息)的量化表征提供方法依據(jù)和理論支撐.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備與表征

根據(jù)Hollins等[23]的研究，對(duì)于粗糙表面，表面微凸體的高度和分布情況等影響皮膚的粗糙觸覺(jué)感知，表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra與粗糙觸感存在關(guān)聯(lián).因此本文中選擇輪廓算術(shù)平均偏差Ra作為表面輪廓高度的表征參數(shù)，研究與紋理高度特征相關(guān)的表面粗糙感.同時(shí)本研究中涉及與紋理寬度特征相關(guān)的表面細(xì)致感研究，因此選擇輪廓單元平均寬度Rsm作為表面輪廓寬度方向的表征參數(shù).

試驗(yàn)中選取日常生活中常見(jiàn)的亞克力作為手指接觸試驗(yàn)材料，試樣尺寸為40 mm×40 mm×5 mm.通過(guò)不同機(jī)械加工(刨、銑、磨)方式，加工出具有不同表面粗糙度的5個(gè)試樣，分別標(biāo)號(hào)1#～5#，其顯微形貌如圖1所示.使用JB-5C粗糙度輪廓儀對(duì)試樣進(jìn)行粗糙度測(cè)量，采樣長(zhǎng)度為0.25 mm，采樣速度為0.25 mm/s，每次測(cè)量長(zhǎng)度為10 mm，重復(fù)測(cè)量5次，輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓單元平均寬度Rsm結(jié)果列于表1中.

表1 試樣表面的粗糙度參數(shù)Table 1 Roughness of sample surface

1.2 志愿者選取

手指是人體觸覺(jué)最為敏感的部位之一，是人體感知外界環(huán)境的重要器官，因此選擇右手食指為感知部位.招募15名年齡在22～35歲(平均年齡26.8±5.85歲)的中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在校男生志愿者，所有志愿者均為右利手且手部無(wú)傷病.本研究在國(guó)際倫理標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下進(jìn)行，經(jīng)徐州市中心醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)：XZXY-LJ-20 210 513-054).

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 粗糙表面觸覺(jué)感知的摩擦學(xué)試驗(yàn)

采用自主設(shè)計(jì)的摩擦振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展粗糙表面觸覺(jué)感知的摩擦學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示.觸摸過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)固定在志愿者右手食指指甲蓋上的加速度傳感器測(cè)試，觸摸過(guò)程的壓力和摩擦力通過(guò)試樣下方的三軸力傳感器測(cè)試.三軸力傳感器的參數(shù)為：額定輸出2.0±0.01 mV/V，精度誤差0.1%，z軸方向量程0～10 N，x和y軸方向量程0～5 N.加速度傳感器型號(hào)為ICP/IEPE CT1002LC，靈敏度為20 mV/g，測(cè)量范圍為250 g，使用頻率為1～10 kHz.

為了避免手指晃動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，采用被動(dòng)觸摸方式進(jìn)行試驗(yàn)，手指通過(guò)觸摸平臺(tái)的孔洞與固定在三軸力傳感器表面的試樣接觸，試驗(yàn)中，單片機(jī)控制滾珠絲杠往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試樣/手指皮膚接觸摩擦過(guò)程.根據(jù)文獻(xiàn)[24-25]，手指通常是通過(guò)0.5～0.8 N左右的法向力對(duì)表面紋理進(jìn)行觸摸感知，因此本研究中采用的觸摸壓力為0.5～0.8 N.為保證觸摸壓力穩(wěn)定性，試驗(yàn)前通過(guò)調(diào)整手指和試樣之間的位置控制觸摸壓力，通過(guò)三軸力傳感器監(jiān)控觸摸壓力，保證試驗(yàn)時(shí)觸摸壓力在0.5～0.8 N之間.觸摸速度為10 mm/s，觸摸距離為30 mm，同一試樣觸摸3次.

試驗(yàn)是在20～25 ℃溫度和45%～65%相對(duì)濕度的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行的.為了避免指尖皮膚汗液對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每完成1組測(cè)試，使用75%醫(yī)用酒精擦拭手指表面和試樣表面，每次試驗(yàn)間隔2 min.

1.3.2 粗糙表面觸覺(jué)感知的腦電試驗(yàn)

Fig.1 Surface microscope images of (a) 1#,(b) 2#,(c) 3#,(d) 4# and (e) 5# (profile curve above each image is a cross-section taken at the position denoted by the corresponding arrows)圖1 試樣表面顯微形貌：(a) 1#，(b) 2#，(c) 3#，(d) 4#，(e) 5# 試樣(每個(gè)試樣的輪廓曲線圖為對(duì)應(yīng)箭頭位置的截面圖)

采用eegomylab 56通道腦電采集系統(tǒng)(ANT Neuro,Hengelo,NLD)在自主設(shè)計(jì)的觸摸試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展粗糙表面觸覺(jué)感知的腦電試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.為了避免手指運(yùn)動(dòng)引入肌電信號(hào)而干擾腦電信號(hào)，試驗(yàn)通過(guò)被動(dòng)觸摸方式進(jìn)行，通過(guò)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠和同步帶控制觸摸臺(tái)運(yùn)動(dòng)，具體分4步完成：首先是觸摸臺(tái)在水平向前移動(dòng)s1距離，然后垂直向下運(yùn)動(dòng)s2距離，使試樣表面a1或a2表面接觸食指皮膚，然后完成距離s1的水平向后觸摸運(yùn)動(dòng)，最后觸摸臺(tái)垂直向上運(yùn)動(dòng)s2距離，完成1個(gè)觸摸循環(huán)，如圖3所示.為保證觸摸壓力穩(wěn)定性，試驗(yàn)前通過(guò)調(diào)整手指和試樣之間的位置控制觸摸壓力，通過(guò)薄膜壓力傳感器監(jiān)控觸摸壓力，保證試驗(yàn)時(shí)觸摸壓力在0.5～0.8 N之間.觸摸速度為10 mm/s，觸摸距離為25 mm.由于中央后回是觸覺(jué)感知的主要腦區(qū)，因此選擇相應(yīng)位置的電極進(jìn)行腦電信號(hào)測(cè)試.

Fig.2 Schematic diagram of friction tester圖2 摩擦試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 Schematic diagram of touching tester for ERP test圖3 腦電觸摸試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

腦電試驗(yàn)采用Oddball范式，該范式是經(jīng)典的ERP試驗(yàn)范式之一，即在大概率呈現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)刺激序列中呈現(xiàn)概率很小的偏差刺激，從而引起人對(duì)于這一刺激的高幅度的腦電反應(yīng).試驗(yàn)由1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激(5#試樣)和1個(gè)偏差刺激(依次為1#～4#試樣)構(gòu)成，分4組進(jìn)行.根據(jù)Oddball范式，只提取偏差刺激引發(fā)的腦電信號(hào)，而不提取標(biāo)準(zhǔn)刺激的腦電信號(hào)，因此腦電試驗(yàn)研究了1#～4#試樣，5#試樣作為標(biāo)準(zhǔn)刺激不做研究.每組試驗(yàn)共觸摸刺激試樣100次，其中標(biāo)準(zhǔn)刺激80次，偏差刺激20次.所有受試者均參加了4組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)2次，每組試驗(yàn)耗時(shí)約7.5 min，試驗(yàn)完成后受試者休息10 min進(jìn)行下組試驗(yàn)，單次試驗(yàn)耗時(shí)約90 min.

1.3.3 粗糙表面觸覺(jué)感知的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)

觸感經(jīng)過(guò)皮膚與表面的摩擦接觸激活，以及大腦的觸感信息處理后，需要人對(duì)觸覺(jué)感知進(jìn)行反饋和判斷，即觸感的主觀評(píng)價(jià)，它是觸覺(jué)感知研究必不可少的環(huán)節(jié).在本研究中，受試者觸摸材料表面時(shí)，對(duì)于粗糙表面主要感受到的是粗糙感，對(duì)于光滑表面主要感受到的是黏著感，由于至今還沒(méi)有參數(shù)可用來(lái)定量地描述這些感覺(jué)，因此在本研究中，從心理反應(yīng)角度采用粗糙感、黏著感和細(xì)致感對(duì)皮膚摩擦過(guò)程中的這些感覺(jué)要素進(jìn)行了表征，其中細(xì)致感指手指觸摸表面時(shí)，感知到紋理間距的疏密程度；粗糙感指手指觸摸表面時(shí)，感知到紋理輪廓的高低起伏程度；黏著感指手指觸摸表面時(shí)，感知到相對(duì)滑動(dòng)的難易程度.

試驗(yàn)中五種試樣被隨機(jī)排序后放入暗盒中，志愿者將手放入暗盒中進(jìn)行觸摸，每種試樣重復(fù)感知3次，對(duì)試樣的粗糙感、黏著感和細(xì)致感3個(gè)觸感維度進(jìn)行評(píng)分.評(píng)分區(qū)間為0～100，較高的分?jǐn)?shù)代表較強(qiáng)的粗糙度、較大的黏著感和較好的細(xì)致度.

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 摩擦振動(dòng)信號(hào)的去噪處理

為了消除試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)的影響，需要對(duì)所采集的手指振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪.試驗(yàn)中采集試驗(yàn)臺(tái)空載振動(dòng)信號(hào)，利用快速傅里葉變換得到相應(yīng)的頻域信號(hào)；采集手指觸摸試樣表面的原始振動(dòng)信號(hào)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，得到10個(gè)IMF(Intrinsic Mode Function,IMF)分量，將10個(gè)IMF分量分別和試驗(yàn)臺(tái)空載振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果列于表2中，結(jié)果顯示IMF2的相關(guān)系數(shù)接近1，具有強(qiáng)相關(guān)性，IMF1的相關(guān)系數(shù)大于0.3，具有弱相關(guān)性，其他分量無(wú)相關(guān)性，因此將IMF3～I(xiàn)MF10成分進(jìn)行重構(gòu)，得到去噪后的手指觸摸振動(dòng)信號(hào)，如圖4所示.

表2 手指原始振動(dòng)信號(hào)的IMF分量與試驗(yàn)臺(tái)空載振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between IMF component of original vibration signal of finger and original vibration signal of test bed

2.2 摩擦振動(dòng)信號(hào)的特征提取

為了建立觸感與材料表面粗糙特性之間的關(guān)系，本文中根據(jù)材料表面紋理特征，從手指摩擦振動(dòng)信號(hào)中提取功率譜重心、垂直偏差和摩擦系數(shù)特征參數(shù)，研究其與人的感知細(xì)致度、感知粗糙度和感知黏著度之間的關(guān)系.

Fig.4 Acceleration signal and frequency analysis (fast Fourier transform) of (a) original vibration signal of finger,(b) original vibration signal of test bed and (c) final vibration signal of finger during touching sample 5#圖4 觸摸5#試樣的(a)手指原始振動(dòng)信號(hào)，(b)試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)和(c)重構(gòu)后手指振動(dòng)信號(hào)的典型時(shí)域和頻域圖

由于紋理輪廓的間距與觸摸振動(dòng)信號(hào)的頻率相關(guān)[26-27]，因此選用振動(dòng)信號(hào)的功率譜重心(SC)研究其與感知細(xì)致度的關(guān)系，其計(jì)算公式如下：

式中：yi為觸摸振動(dòng)信號(hào)的振幅，fi為頻率，i是時(shí)域上的采樣序號(hào)，fft(yi)表示振動(dòng)信號(hào)的傅里葉變換.較細(xì)致的表面具有較高的紋理密度，與較大的振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)；而較粗疏的表面具有較低的紋理密度，與較小的振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng).根據(jù)公式，觸摸紋理越細(xì)致，功率譜重心值越大.

由于紋理輪廓的高度與觸摸振動(dòng)信號(hào)的峰值正相關(guān)[28]，因此選取振動(dòng)信號(hào)的垂直偏差(V)研究其與感知粗糙度的關(guān)系，其計(jì)算公式如式（2）所示.

式中：yi是觸摸振動(dòng)信號(hào)的振幅，i是時(shí)域上的采樣序號(hào).根據(jù)公式(2)可知觸摸表面越粗糙，垂直偏差值越大.

摩擦系數(shù)μ是兩接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力和正壓力的比值，是研究感知黏著度最常用的表征參數(shù).觸摸表面越滑溜μ值越小，越黏著μ值越大[20].

2.3 腦電信號(hào)的成分提取

利用MATLAB軟件的EEGLAB工具箱對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，具體步驟包括：選取M1和M2為參考電極，在0.5～40 Hz之間進(jìn)行帶通濾波，采用獨(dú)立成分分析法去除眼電和心電等噪聲，最后將20次偏差刺激的腦電信號(hào)進(jìn)行疊加平均并進(jìn)行基線矯正，得到ERP (Eventrelated Potential,ERP)曲線.

ERP曲線的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)代表了電位差，本文中針對(duì)粗糙表面激發(fā)的大腦ERP曲線特點(diǎn)，通過(guò)MATLAB程序，分別提取出70～120、200～275和 280～400 ms時(shí)間范圍內(nèi)ERP波形的峰值電壓，并將其作為P100、P200和P300成分的峰值，相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)作為潛伏期，并與粗糙表面的物理特征進(jìn)行觸感關(guān)聯(lián)性分析.

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)ERP成分的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.正態(tài)性檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，結(jié)果表明，所有數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布.采用單因素方差分析確定不同粗糙表面激發(fā)的ERP成分潛伏期和振幅均值是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，然后采用Bonferroni校正進(jìn)行兩組數(shù)據(jù)間的顯著性差異比較，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

3 結(jié)果與討論

3.1 觸摸粗糙表面的摩擦振動(dòng)特性

3.1.1 皮膚與粗糙表面間的摩擦力分析

皮膚軟組織與感知表面的接觸摩擦力F是由黏著摩擦力Fadh和形變摩擦力Fdef共同構(gòu)成的[29-31]，即：

其中黏著摩擦力Fadh來(lái)自于剪切破壞分子間相互作用形成黏著點(diǎn)的剪切力，其表達(dá)式為

式中：Ar為真實(shí)接觸面積，τ為界面剪強(qiáng)度.通過(guò)公式(4)可知，影響?zhàn)ぶΣ亮Φ闹饕蛩厥钦鎸?shí)接觸面積.

而形變摩擦力Fdef則來(lái)自于微凸體之間的機(jī)械互鎖作用以及皮膚軟組織變形后不完全恢復(fù)產(chǎn)生的滯后摩擦力，其表達(dá)式為

式中：β為黏彈性遲滯損失率，δ為微凸體壓入皮膚的深度，α為接觸半徑，F(xiàn)為法向接觸壓力.從公式(5)可以看出，形變摩擦力與微凸體壓入皮膚的深度成正比，當(dāng)干燥皮膚在光滑表面滑動(dòng)時(shí)，形變摩擦力可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)皮膚接觸粗糙表面時(shí)，形變摩擦力是1個(gè)不可忽略的因素.

3.1.2 表面粗糙度對(duì)摩擦振動(dòng)特征參數(shù)的影響

圖5顯示了手指觸摸不同粗糙表面時(shí)，摩擦系數(shù)、垂直偏差和功率譜重心3個(gè)摩擦振動(dòng)特征參數(shù)的變化規(guī)律.結(jié)果顯示：隨著輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓單元平均寬度Rsm的降低，摩擦系數(shù)和功率譜重心逐漸增大，垂直偏差逐漸減小.

如圖6所示，隨著材料表面粗糙度的高度特征參數(shù)-輪廓算術(shù)平均偏差Ra逐漸降低，材料表面微凸體高度降低.當(dāng)指尖皮膚與試樣接觸時(shí)，粗糙表面微凸體壓入皮膚的深度減少，與皮膚接觸的微凸體數(shù)量增多，材料表面與皮膚的真實(shí)接觸面積增大，黏著摩擦力隨之增大，而微凸體間的機(jī)械互鎖和形變滯后引起的形變摩擦力所占的比重逐漸降低，最終表現(xiàn)為摩擦系數(shù)隨著表面粗糙度參數(shù)的降低而增大.同時(shí)由于微凸體高度降低，手指指紋與表面微凸體之間機(jī)械互鎖作用減小，所引起的振動(dòng)信號(hào)幅值也會(huì)降低，垂直偏差V值隨之變小.

Fig.5 The relationship between (a) friction coefficient,(b) vertical deviation and (c) spectral centroid and subjective evaluations of five samples圖5 五種試樣的(a)摩擦系數(shù)、(b)垂直偏差和(c)功率譜重心和主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系

Fig.6 Schematic diagram of a finger touching the (a) rough and (b) smooth surface圖6 手指觸摸(a)粗糙表面和(b)光滑表面的接觸示意圖

材料表面粗糙度的間距特征參數(shù)-輪廓單元平均寬度Rsm逐漸降低，說(shuō)明材料表面微凸體輪廓峰的間距降低，紋理密度增大，因此對(duì)應(yīng)手指指紋與表面微凸體之間接觸的振動(dòng)頻率增大，功率譜重心隨之增大.

3.1.3 粗糙觸感的量化表征特征參數(shù)

為了對(duì)粗糙觸感進(jìn)行量化表征，將手指觸摸不同粗糙表面時(shí)，人的主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)與摩擦振動(dòng)特征參數(shù)，即摩擦系數(shù)、垂直偏差和功率譜重心進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果如圖5所示.結(jié)果顯示：黏著感、粗糙感和細(xì)致感與摩擦系數(shù)、垂直偏差和功率譜重心變化趨勢(shì)一致，表面粗糙度參數(shù)越小，試樣的粗糙感越小，黏著感越強(qiáng)，細(xì)致感越好.根據(jù)上述分析，輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓平均寬度Rsm小的表面，微凸體平均高度低、間距小，觸摸過(guò)程中皮膚與表面微凸體的接觸面積大，表面間的分子間吸引力大，引起較大的黏著摩擦力和較小的形變摩擦力[29]，振動(dòng)信號(hào)幅值降低，振動(dòng)頻率增大，因此給人強(qiáng)烈的黏著感、較小的粗糙感和較好的細(xì)致感.反之，表面粗糙度參數(shù)大的表面，其表面微凸體平均高度高、間距大，觸摸過(guò)程中皮膚與表面微凸體的接觸面積小、機(jī)械互鎖作用大，引起較大的形變摩擦阻力和較小的黏著摩擦力，振動(dòng)信號(hào)幅值增大，振動(dòng)頻率降低，因此給人較低的黏著感、強(qiáng)烈的粗糙感和較差的細(xì)致感.

根據(jù)上述分析可以看出，摩擦振動(dòng)曲線的垂直偏差、摩擦系數(shù)和功率譜重心特征參數(shù)能夠反映粗糙表面的形貌特征變化趨勢(shì)，與人的主觀感知評(píng)價(jià)一致，可以用來(lái)定量表征材料表面的粗糙感、黏著感和細(xì)致感.

3.2 觸摸粗糙表面的腦電生理特性

圖7為觸摸4個(gè)粗糙試樣時(shí)激發(fā)的人腦平均ERP曲線圖，圖中綠色、橙色和藍(lán)色圓圈分別代表4個(gè)試樣激發(fā)的ERP曲線P100、P200和P300成分，三種成分的平均潛伏期和幅值列于表3中.

Fig.7 ERP waveform evoked by four samples圖7 四種試樣激發(fā)的大腦平均ERP波形

表3 ERP曲線P100、P200和P300成分的潛伏期和幅值Table 3 Latency and amplitude of ERP components

P100和P200成分屬于人腦對(duì)刺激加工的早期外源性成分，是外部刺激發(fā)生在100和200 ms左右ERP曲線的最大正波，其幅值和潛伏期受到感知表面物理特性的影響，不受人的主觀因素影響，其峰值代表了大腦神經(jīng)元對(duì)表面粗糙特性刺激的神經(jīng)反應(yīng)強(qiáng)度，潛伏期代表了人腦神經(jīng)元對(duì)表面粗糙特性刺激的辨別速度[32-33].因此本研究中將P100和P200成分作為大腦神經(jīng)元對(duì)表面粗糙度差異性辨別的電生理反應(yīng)指標(biāo).圖7和表3均顯示4個(gè)試樣的P200峰值有顯著性差異，隨著表面粗糙度的增大，P200峰值逐漸增大，表明表面越粗糙，大腦神經(jīng)元的神經(jīng)反應(yīng)強(qiáng)度越高，誘發(fā)的P200峰值越高.

同時(shí)結(jié)果顯示4個(gè)試樣P100的峰值差異不顯著，只有1#顯著增大，到P200時(shí)才逐漸顯示出峰值的顯著性差異，說(shuō)明大腦神經(jīng)元對(duì)粗糙表面的感知從P100開(kāi)始，在P200左右達(dá)到峰值.4個(gè)試樣的P100和P200潛伏期都沒(méi)有顯著性差異，說(shuō)明觸覺(jué)感知時(shí)，材料表面粗糙度對(duì)P100和P200成分峰值的影響更加顯著，對(duì)潛伏期沒(méi)有影響.

P300成分屬于人腦對(duì)刺激加工的晚期內(nèi)源性成分，是外部刺激發(fā)生的250～500 ms之間ERP曲線的最大正波，其幅值和潛伏期與人腦對(duì)刺激的認(rèn)知判斷等心理活動(dòng)有關(guān)，受人的主觀因素影響顯著，不受刺激的物理屬性影響，反映了人腦對(duì)表面粗糙度刺激的觸覺(jué)加工后獲得的感覺(jué)，代表著知覺(jué)的結(jié)束和感覺(jué)的開(kāi)始，其潛伏期反映出大腦對(duì)表面觸感信息的加工判斷及形成感覺(jué)的速度，P300幅值與加工給定刺激時(shí)所參與的注意資源量成正比[34-35]，因此本研究中將P300作為主觀感受的電生理表征指標(biāo).圖7和表3顯示，隨著表面粗糙度的增大，激發(fā)觸感ERP信號(hào)的P300峰值增大、潛伏期變短，表明表面越粗糙，激發(fā)的神經(jīng)元興奮度和注意力越強(qiáng)，大腦的認(rèn)知加工速度和形成主觀感覺(jué)的速度越快.結(jié)合圖5的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，粗糙感強(qiáng)、細(xì)致感差和黏著感低的表面誘發(fā)的P300峰值高且潛伏期短.

綜上可以看出，P200成分的峰值與材料的表面粗糙特性相關(guān)，粗糙度大的表面誘發(fā)的P200峰值高，P300成分與人的主觀認(rèn)知判斷有關(guān)，粗糙感強(qiáng)、細(xì)致感差和黏著感低的表面誘發(fā)的P300峰值高、潛伏期短.

3.3 綜合分析

綜合皮膚的接觸摩擦特性、腦電生理反應(yīng)和人的主觀評(píng)價(jià)的研究結(jié)果，分析認(rèn)為：在觸覺(jué)感知過(guò)程中，輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓平均寬度Rsm大的表面，其表面微凸體平均高度高、間距大，摩擦接觸過(guò)程中皮膚與微凸體的機(jī)械互鎖和皮膚變形引起的彈性滯后增大，即形變摩擦和振動(dòng)幅值增大，導(dǎo)致皮膚內(nèi)部觸覺(jué)感知小體受到的機(jī)械刺激強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這些機(jī)械刺激被編碼成神經(jīng)沖動(dòng)傳遞到大腦的軀體感覺(jué)皮層進(jìn)行觸感加工，對(duì)于粗糙表面激發(fā)的大腦神經(jīng)元細(xì)胞的反應(yīng)強(qiáng)度大，需要的注意力資源高(表現(xiàn)為ERP信號(hào)的P200和P300成分峰值高)，人腦經(jīng)過(guò)對(duì)表面粗糙刺激的觸覺(jué)加工后，可以很快地形成表面粗糙感的判斷(表現(xiàn)為ERP信號(hào)的P300成分潛伏期短)，最終經(jīng)傳出神經(jīng)傳導(dǎo)至相應(yīng)的效應(yīng)器，通過(guò)人體的語(yǔ)言對(duì)粗糙觸感進(jìn)行描述.

反之，輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓平均寬度Rsm小的表面，微凸體平均高度低、間距小，觸摸過(guò)程中皮膚與表面微凸體的接觸面積大，引起較大的黏著摩擦力，經(jīng)編碼被傳導(dǎo)到大腦進(jìn)行觸感加工.腦神經(jīng)元細(xì)胞對(duì)于光滑表面引起的觸感刺激的反應(yīng)強(qiáng)度低，需要的注意力資源少(表現(xiàn)為ERP信號(hào)的P200和P300成分峰值低)，形成表面黏著感判斷相對(duì)較慢(表現(xiàn)為ERP信號(hào)的P300成分潛伏期短），最終經(jīng)傳出神經(jīng)傳導(dǎo)至相應(yīng)的效應(yīng)器，通過(guò)人體的語(yǔ)言對(duì)黏著感進(jìn)行描述.

綜上，手指觸摸粗糙表面的形變摩擦力大，激發(fā)ERP腦電信號(hào)的P200和P300峰值高，P300潛伏期短，粗糙感的形成速度快；手指觸摸光滑表面的黏著摩擦力大，激發(fā)ERP腦電信號(hào)的P200和P300峰值低，P300潛伏期長(zhǎng)，黏著感的形成速度慢.結(jié)果表明，材料表面的粗糙特性會(huì)通過(guò)影響皮膚的接觸摩擦行為，進(jìn)而影響人腦的粗糙觸覺(jué)感知和主觀評(píng)價(jià)，表面摩擦特性、腦電生理反應(yīng)和觸感主觀評(píng)價(jià)三者具有相關(guān)性.

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明皮膚的接觸摩擦特性、人腦的腦電反應(yīng)和人的主觀評(píng)價(jià)與材料表面的粗糙特征相關(guān)，三者結(jié)合是研究粗糙表面摩擦觸覺(jué)感知的有效手段，并且手指摩擦振動(dòng)特征參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)表面觸感的部分量化表征，主要結(jié)論如下：

a.隨著表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra和輪廓平均寬度Rsm的降低，摩擦系數(shù)和功率譜重心逐漸增大，垂直偏差逐漸降低.垂直偏差越大，表面粗糙感越強(qiáng)，功率譜重心越大，表面細(xì)致感越好，摩擦系數(shù)越大，表面黏著感越強(qiáng)烈.摩擦系數(shù)、垂直偏差和功率譜重心特征參數(shù)能夠反應(yīng)粗糙表面的形貌特征變化趨勢(shì)，與人的主觀感知評(píng)價(jià)一致，可以用來(lái)定量表征材料表面的粗糙感、黏著感和細(xì)致感.

b.ERP曲線的P200成分峰值與接觸表面的粗糙特征相關(guān)，粗糙度大的表面誘發(fā)的P200峰值高；P300成分與人的主觀認(rèn)知判斷有關(guān)，粗糙感強(qiáng)、細(xì)致感差和黏著感低的表面誘發(fā)的P300峰值高、潛伏期短.

c.手指觸摸粗糙表面的形變摩擦力大，激發(fā)大腦神經(jīng)元興奮度和注意力強(qiáng)，粗糙感的形成速度快；手指觸摸光滑表面的黏著摩擦力大，激發(fā)大腦神經(jīng)元興奮度和注意力低，黏著感的形成速度慢.材料表面的粗糙特性會(huì)通過(guò)影響皮膚的接觸摩擦行為，進(jìn)而影響人腦的觸覺(jué)感知和主觀評(píng)價(jià)，表面接觸摩擦特性、人腦電生理反應(yīng)和觸感主觀評(píng)價(jià)具有相關(guān)性，三者結(jié)合是系統(tǒng)研究粗糙表面摩擦觸覺(jué)感知的有效手段.

需要指出，本文中通過(guò)輪廓高度特征參數(shù)-輪廓算術(shù)平均偏差和輪廓寬度特征參數(shù)-輪廓單元平均寬度對(duì)表面粗糙度進(jìn)行了表征，但是皮膚的粗糙觸感并不僅僅取決于接觸表面的單一粗糙度屬性，而是由表面粗糙度和紋理(包括形狀、尺寸和密度等)特征等共同作用決定的，后續(xù)研究應(yīng)考慮到表面紋理對(duì)粗糙觸感的影響.