Как человеческие пальцы чувствуют молекулы
Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, насколько остро чувство осязания у человека? Предыдущие работы показали, что наши пальцы могут заметить неровность высотой всего 13 нанометров. И каждый из нас с закрытыми глазами отличит дерево от металла и пластика, потому что эти материалы имеют разную текстуру и по-разному поглощают тепло пальцев. Но исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего выяснили, что с помощью осязания люди могут почувствовать разницу между двумя поверхностями, которые отличаются лишь верхним слоем молекул.
Команда под руководством профессора Даррена Липоми (Darren Lipomi) использовала две кремниевые пластины, одна из которых была покрыта окисленным слоем с преобладанием атомов кислорода, а поверхность другой представляла собой тефлоновый материал на основе углерода и фтора. Обе пластины были гладкими и выглядели практически одинаково.
В первом эксперименте группе из 15 добровольцев предложили провести пальцем по трём пластинам и угадать, какая из них отличается от двух других. Участники справились с испытанием в 71% случаев.
Второй тест оказался более сложным. Учёные нанесли на вытянутые кремниевые пластинки восемь поперечных полос из окисленного и тефлонового слоя. В этих полосах разные материалы играли роль "единиц" и "нолей" бинарного кода, и на каждой пластине была зашифрована буква восьмибитного алфавита ASCII.
На этот раз десять из одиннадцати участников эксперимента, очевидно не далёких от программирования, смогли расшифровать слово Lab (Лаборатория), проводя пальцем вдоль пластин. Для этого им в среднем понадобилось менее пяти минут.
По мнению исследователей, люди могут почувствовать эти различия из-за разной силы трения скольжения, которая возникает, когда два предмета в состоянии покоя начинают скользить друг относительно друга. Именно благодаря этому явлению генерируется скрип дверных петель или шум останавливающегося поезда.
В ходе проведения испытаний выяснилось, что эффективность распознавания разных поверхностей зависит от того, насколько быстро двигается палец и как сильно он давит на пластину.
Липоми и его коллеги создали "искусственный палец с сенсором и датчиком давления", которым проводили по разным материалам. Обработав данные с помощью компьютерной модели, они обнаружили, что при некоторых комбинациях скорости и давления различия между поверхностями становятся совершенно неуловимыми.
"Наши результаты показывают замечательную человеческую способность быстро находить правильную комбинацию силы и скорости для восприятия разницы между этими поверхностями, — говорит Липоми в пресс-релизе. Интересно также, что "искусственный палец" всего с одним датчиком тоже может почувствовать эту разницу. Это не имеет ничего общего с сотнями нервных окончаний в нашей коже, а также рецепторами в связках, суставах, запястьях, локте и плече, которые позволяют людям ощущать небольшие различия при прикосновении".
Результаты исследования, опубликованные в журнале Materials Horizons, имеют фундаментальное значение для развития таких технологий, как электронная кожа, протезы с функцией осязания и тактильное управление виртуальной реальностью.