Page 86 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 唐玮, 等: 不同尖锐度纹理形状的摩擦触觉感知与表征研究 375

8 8 8
39
6
试验采用主动触摸方式，为保证试验中手指触摸
试样表面能够保持基本恒定的触摸压力和速度，试验
4
前对所有志愿者进行训练. 训练时，志愿者将右手食
34 38
指放置于试样上方，使用均匀力度，2 s时间在试样表面
90° 90°
90° 滑过20 mm的距离，即滑动速度控制在 10 mm/s左右，
4 R2 4 4 mm 其中触摸力可通过试验台上的压力传感器监控. 正式
(a) (b) (c)
试验采用和训练时一样的触摸条件，每组试验志愿者
Fig. 2 Samples with different shapes (a) sharp shape，(b)
重复触摸10次，单次触摸间隔1 s，每组试验间隔3 min.
round shape，and (c) flat shape
图 2 不同形状纹理试样示意图 (a) 尖角；(b) 圆角；(c) 平角 1.3.2 触觉感知的认知行为学试验
不同于摩擦力、摩擦系数和磨损量等传统的摩擦
于加工成型，因此采用经激光加工的具有不同纹理形 学性能评价指标，在皮肤摩擦学中，感觉即人的心理
状的亚克力板作为触感试样. 试样尺寸为38 mm×39 mm× 反应是评价其摩擦学行为的1个重要因素 [23-24] ，其中舒
5 mm，纹理形状分为尖角、圆角和平角三类，具体形 适感是1个非常重要的摩擦学性能指标，该指标主要
状特征如图2所示. 用来评价纺织品、假肢、运动器材和劳动用品等触肤

1.2 志愿者选取 产品与人体皮肤摩擦接触过程中人体感觉是否舒适，
手指是人体触觉最为敏感的部位之一，是人体感 但是，由于影响人体感觉的因素众多，因此到目前为
知外界环境的重要器官，因此选择右手食指为感知部 止尚无关于皮肤摩擦感觉的规范评价标准 . 在本研
[25]
位. 试验招募10名年龄在22~25岁(23.6±1.1岁)的男性 究中，受试者触摸纹理形状表面时，对于尖锐纹理主
志愿者进行摩擦触觉感知试验，所有志愿者均为右利 要感受到的是尖锐感，对于平角纹理主要感受到的是
手且手部无伤病.
黏着感，由于至今还没有参数可用来定量地描述这些

1.3 试验方法
感觉，因此在本研究中，从心理反应角度采用尖锐感、

1.3.1 触觉感知的摩擦学试验
黏着感和舒适感对皮肤摩擦过程中的这些感觉要素
采用自主设计的三轴力试验台进行摩擦学试验，
进行了表征，其中舒适感是尖锐感和黏着感等感觉的
试验台结构如图3所示. 三分力传感器用来采集手指
综合表征.
触摸试样时施加的正压力(z轴方向)和触摸过程中的
触觉感知的主观认知试验与摩擦试验同步进行，
摩擦力(x轴方向)，其中z轴方向的量程为0~10 N，x、
志愿者完成所有摩擦试验后在评分表上对三种试样
y轴方向的量程为0~5 N. 传感器上方通过螺钉固定
的尖锐感、黏着感和舒适感3个触感维度进行评分. 评
1个带有凹槽的试样台，试样放置于凹槽中. 使用
分区间为1~10，较高的分数代表较强的尖锐感、较大
CoCo80(Crystal Instruments，California，USA)信号采
的黏着感和较好的舒适感.

集仪记录并保存摩擦试验过程中的正压力信号和摩
1.3.3 触觉感知的fMRI试验
擦力信号，采样频率为1 kHz. fMRI技术能够精确定位触觉感知时大脑各功能

Sample 区的激活位置和强度，以无创、直接的方式观察人脑
Three component
Sample holder 对外界刺激的感知反应. 该技术是以新陈代谢的血液
force sensor
动力学方法为基础，通过血氧水平变化 (blood oxygenation
[26]
level-dependent，BOLD) 对大脑神经活动进行成像 .
z y
x 试验在医用GE 3.0T DISCOVERY MR750w (General
x
y Electric company，Boston，US) 磁共振测试系统上进
z
行，试验采用组块设计法. 组块设计法是将多次同样
Base plate
的刺激组成1个刺激组块，即一种刺激在一定的时间
内连续呈现，之后在规定的时间序列下以刺激组块为
单元逐个呈现. 组块设计由于刺激持续的时间较长，
Fig. 3 Schematic diagram of triaxial force test bed
图 3 三轴力试验台结构示意图 因此容易得到高信噪比的大脑反应信号，此外考虑到