化學(xué)觸覺：我們能在虛擬世界感受真實(shí)觸感嗎？

近兩年，“元宇宙”一詞大火，似乎這是能改變?nèi)祟愇磥淼臇|西。無論商業(yè)前景如何，一些研究人員確實(shí)在致力于讓虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)字人生結(jié)合。這其中就有一個(gè)問題：在虛擬世界能體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)一樣冷熱酸甜的感覺嗎?化學(xué)觸覺，或許可以告訴我們答案。

“警報(bào)突然響起，他快速離開現(xiàn)場(chǎng)，剛走到出口時(shí)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(yīng)室里發(fā)出的警報(bào)。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(nèi)熱浪滾滾，他周身被一股灼燒的窒息感包圍。但是，當(dāng)他摘下VR頭盔，一切都終止了?！?/p>

這是一次模擬體驗(yàn)。那些知覺上的變化，是幾種化學(xué)物質(zhì)通過一個(gè)可穿戴設(shè)備接觸到皮膚之后所產(chǎn)生的：手臂麻木僵硬，是因?yàn)槔ǘ嘁蚪佑|到了皮膚；撲面而來的熱浪，是因?yàn)槔苯匪乇会尫诺矫娌?；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(gè)神奇的可穿戴設(shè)備，利用的是一種叫作“化學(xué)觸覺”（chemical haptics）的技術(shù)。事實(shí)上，化學(xué)物質(zhì)一直被用來理解觸覺機(jī)制。20世紀(jì)90年代，關(guān)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(huì)如何做出反應(yīng)?，F(xiàn)在，芝加哥大學(xué)的Jasmine Lu和她的同事正在應(yīng)用這方面的知識(shí)，來制造一種由化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的“觸覺”。

觸覺，不止接觸

觸覺技術(shù)能在無須直接接觸的情形下產(chǎn)生觸感。它并不是一個(gè)新鮮詞，應(yīng)用了觸覺技術(shù)的設(shè)備在日常生活中隨處可見。比如：iphone13上的home鍵并不是一個(gè)實(shí)體按鍵，它不能被按下，而是通過感知振動(dòng)“假裝”被按了下去一這或許是觸覺技術(shù)在我們身邊最常見的應(yīng)用。

這類設(shè)備的局限，在于它們大多通過力或振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)功能，因此它們只能使用觸覺機(jī)制的一種形式——壓力，而我們的皮膚能感知到的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止壓力這個(gè)因素。比如，你摸到一塊冰塊和一塊烙鐵，很顯然，這兩個(gè)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(chǎn)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(gè)設(shè)備里，就可以復(fù)制一種極度逼真的觸覺。

化學(xué)觸覺技術(shù)的用意，就是用化學(xué)物質(zhì)把這些冷、熱、振動(dòng)、壓力等感覺“一攬子”模擬出來的。與Jasmine Lu同在一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的Jas Brooks早先曾經(jīng)設(shè)計(jì)過一個(gè)VR頭盔，它能將薄荷醇、辣椒素等化學(xué)物質(zhì)釋放到鼻腔的三叉神經(jīng)處，然后三叉神經(jīng)就能將冷熱的感覺傳達(dá)給大腦。而且，使用者不僅僅是因?yàn)槁劦搅吮『纱蓟蛘呃苯匪氐臍馕抖?lián)想到了冷和熱，他們之所以有冷熱的感覺，還因?yàn)槿嫔窠?jīng)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(gè)設(shè)備不夠友好，讓辣椒素直接泵入鼻腔，確實(shí)可以很直觀地傳達(dá)熱的感覺，但是“辣”的刺激也很強(qiáng)烈。所以，Jasmine Lu想要尋找一種能繞過鼻子、直接通過皮膚產(chǎn)生觸覺的途徑。那么，化學(xué)物質(zhì)如何作用于皮膚產(chǎn)生種種感覺呢？

辣椒素和薄荷醇給出的啟示

上世紀(jì)90年代初，加利福尼亞大學(xué)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(xué)上了解人體是如何感知到疼痛的，以及觸覺的信號(hào)通道是如何被強(qiáng)化的。

他和同事創(chuàng)建了一個(gè)由幾百萬個(gè)DNA片段組成的資源庫(kù)，每一個(gè)片段都與神經(jīng)元中能對(duì)疼痛、熱和觸感做出反應(yīng)的基因相對(duì)應(yīng)。在1997年，他們終于識(shí)別出了一個(gè)叫作TRPV1的受體。TRPV1位于傷害性感受神經(jīng)元的細(xì)胞膜上，當(dāng)受到辣椒素的刺激時(shí)，TRPV1會(huì)打開離子通道做出響應(yīng)。有意思的是，TRPV1同樣會(huì)被熱刺激激活，當(dāng)遇到43℃以上的高溫時(shí)，TRPV1會(huì)釋放一模一樣的電信號(hào)并傳達(dá)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(shí)仔細(xì)一想就知道，辣和其他三味明顯不同。舉個(gè)例子，如果你用剛剛切過辣椒的手揉了眼睛，你的眼睛也會(huì)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(huì)感到甜。這個(gè)例證在提示我們，辣和熱有著異曲同工的關(guān)聯(lián)，辣并不是一種味覺，它本質(zhì)上是一種“熱覺”。

David Julius等人繼續(xù)用了多年時(shí)間，詳細(xì)研究了由感受器、神經(jīng)元、受體和離子通道組成的復(fù)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(xiàng)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(duì)象發(fā)現(xiàn)了皮膚產(chǎn)生“冷覺”的機(jī)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?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了溫度和觸覺感受器而獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

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(shí)驗(yàn)方案。她不再通過創(chuàng)造熱環(huán)境、施加力或振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)觸覺技術(shù)，而是試圖使用化學(xué)物質(zhì)直接刺激皮膚，并觸發(fā)皮膚中的受體來模擬與觸覺相關(guān)的種種感覺。

2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主戴維.朱利烏斯（左）和阿登·帕塔普蒂安

第三種“化學(xué)感覺”

我們能感覺到來自化學(xué)物質(zhì)的刺激，是因?yàn)榧?xì)胞上的受體能與化學(xué)分子相互作用，然后做出響應(yīng)并將信號(hào)傳遞給大腦。在大多數(shù)人的固有認(rèn)知里，這個(gè)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(shí)你能想象即使沒有鼻子和舌頭，也還會(huì)有第三種“化學(xué)感覺”存在。比如，你咀嚼花椒的時(shí)候，不僅口腔里麻麻辣辣的，嘴唇也會(huì)有針刺似的感覺，這是因?yàn)榛ń分杏幸环N關(guān)鍵成分叫作山椒醇，它會(huì)與嘴唇皮膚上的痛覺感受器和機(jī)械感受器發(fā)生作用，就好像有個(gè)振動(dòng)小馬達(dá)放在嘴唇上似的，所以你會(huì)感到有一種刺痛感?？梢?，響應(yīng)化學(xué)刺激的受體不僅存在于鼻子和舌頭，化學(xué)物質(zhì)引發(fā)的感覺也不局限于嗅覺和味覺。

1912年，美國(guó)動(dòng)物學(xué)家GeorgeH·Parker提出了“共同化學(xué)感覺”的概念，用來描述動(dòng)物身上（尤其是皮膚）的化學(xué)感受性得的多，Parker通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這是廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)的性質(zhì)，而非味覺和嗅覺神經(jīng)的特性。到了20世紀(jì)90年代，才有人提出用“化學(xué)物理覺”（chemesthesis）這個(gè)概念替代“共同化學(xué)感覺”，來描述這第三種化學(xué)感覺。

有前景，亦有局限

現(xiàn)在，Jasmine Lu的團(tuán)隊(duì)把這種化學(xué)觸覺技術(shù)應(yīng)用到了VR方面。他們創(chuàng)建了一種可穿戴設(shè)備，將化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在可穿戴設(shè)備里，并通過微型泵推動(dòng)著流經(jīng)對(duì)皮膚開放的通道，讓皮膚在試劑通過時(shí)接觸到甚至吸收它們，進(jìn)而產(chǎn)生種種感覺。但是，我們能完全用這種體驗(yàn)替代真實(shí)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(shù)大會(huì)（User InterfaceSoftware and Technology conference）上，他們發(fā)布了一則視頻，視頻中是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，一個(gè)人佩戴著他們?cè)O(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備，正在“經(jīng)歷”一次驚險(xiǎn)刺激的核事故——也就是本文開頭的那個(gè)場(chǎng)景。

不過，并不是所有人都對(duì)這一技術(shù)感到興奮，至少在有些領(lǐng)域的從業(yè)者看來，觸摸是具有社會(huì)學(xué)意義的一種行為，它不單單是一個(gè)動(dòng)作，有時(shí)還象征著情感連接，是不能簡(jiǎn)單粗暴地用冷、熱、疼、麻來概括和取代的。

這些質(zhì)疑的聲音也揭示了這一技術(shù)的局限性。為什么擼貓時(shí)會(huì)感到解壓?答案就在介導(dǎo)這一類觸覺的神經(jīng)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(shí)的觸覺是一種情感性觸覺（affectivetouch），它由一種特殊的神經(jīng)纖維——CT纖維主導(dǎo)。 CT纖維只對(duì)緩慢的、輕柔的觸摸有響應(yīng)，例如每秒移動(dòng)5厘米左右的觸摸刺激。擼貓時(shí)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?yàn)樗芘c人們的心理作用和情緒體驗(yàn)產(chǎn)生聯(lián)系。Jasmine Lu的化學(xué)觸覺系統(tǒng)能夠模擬出來的都是辨別性觸覺，對(duì)于情感性觸覺是無能為力的。這確實(shí)是化學(xué)觸覺技術(shù)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(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種化學(xué)觸覺技術(shù)，是與VR領(lǐng)域的發(fā)展相互成就的。事實(shí)上，人們?cè)谔摂M現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)已經(jīng)，足夠逼真，也正因如此，“元宇宙”才會(huì)成為當(dāng)下最火熱的概念之一，但是，我們要想達(dá)到媲美真實(shí)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”。