触觉作为人体的五大感官之一,在人体与外界的交流中起着重要作用。在触觉感知过程中,皮肤与接触表面的摩擦振动给予皮肤内触觉感受体以机械刺激,并将机械能量信号转化为神经电位信号,经传入神经、脊髓、脑干,最终传递至大脑皮层,大脑经过加工认知形成触感认识。所以,摩擦振动是触感的“激发器”,触觉感知涉及到皮肤的“感”、大脑的“知”和主观的“评”。目前,对于材料触感的研究多针对砂纸、织物、玻璃等特定材料开展,针对影响触感的特定材料表面参数开展的研究较少,此外研究大多集中在皮肤的摩擦学及生物力学方面。本文旨在研究不同纹理形状对人体触觉感知的影响,结合认知行为学、生物摩擦学、生物力学以及神经科学方法,从皮肤的“感”、大脑的“知”和主观的“评”开展研究,揭示触觉质感的形成过程和认知机理,可为残障人士的触觉再现、人机交互和触肤产品质感的量化评定等提供技术支持和理论支撑。以下为本论文的主要研究工作及结论。使用主观评价方法和摩擦学方法对不同纹理形状下的人体触觉感知进行研究。通过开展认知行为学实验,获得人对不同纹理形状表面的尖锐感、黏着感和舒适度触感的主观评分。通过开展摩擦学试验,研究手指皮肤触摸不同纹理形状时的摩擦行为,分析摩擦机制。建立手指触摸不同纹理形貌表面的动态接触有限元模型,分析触摸过程中皮肤内机械感受体的受力情况。结果表明,触摸圆角试样拥有最高的舒适度;触摸尖角试样拥有最大的尖锐感;触摸光滑试样拥有最大的黏着感。摩擦试验结果发现,纹理形状会影响皮肤摩擦过程中黏着摩擦分量与形变摩擦分量的比重,触摸光滑试样时黏着摩擦为主要贡献因素,随着试样表面纹理尖锐度的增强,形变摩擦的贡献比重会增大。通过有限元分析可以得出,模型内部的应力分布主要受到手指与试样的实际接触面积影响,触摸尖角试样时的应力值最大,触摸光滑试样时的应力值最小。研究还发现黏着感主要受到摩擦力中黏着摩擦力的影响,触摸过程中纹理形状引发的形变摩擦和触觉感受体受到的应力增大会增大尖锐感触感,而舒适度受到表面摩擦机制和触觉感受体所受的应力综合影响。采用空间分辨率高的功能核磁共振方法研究纹理形状激发的触感在大脑中的形成位置及激活强度。结果表明,受试触摸不同纹理形状表面时,触觉感知纹理形状的大脑激活功能区主要涉及初级躯体感觉皮层、次级躯体感觉皮层、初级运动皮层、体感联合皮层和辅助运动皮层,其中以躯体感觉皮层为主。此外对侧脑区(左脑)的激活区域要大于同侧脑区(右脑),最大的激活体素群发生在左脑的中央沟附近,包括中央前回和中央后回。舒适度大的圆角纹理表面激发的脑区仅为左脑,脑区范围小,激活强度低;尖角纹理激发了左、右脑区,且为正激活;相对于尖角试样激发的尖锐感,平角纹理激发的黏着感涉及的脑区范围和强度要更高一些,且存在同侧负激活现象。尖角与圆角的大脑功能差异区为体感联合皮层;圆角与平角的大脑功能差异区为次级躯体感觉皮层和体感联合皮层;尖角与平角的大脑功能差异区为次级躯体感觉皮层和体感联合皮层。尖角对平角的差异脑区范围最大,尖角对圆角的差异脑区范围最小。采用时间分辨率高的脑电图方法对不同纹理形状激发的大脑脑电信号进行研究。针对事件相关电位方法对触发同步性要求严格的特点,设计了被动触摸试验台。针对原始信号信噪比低、伪迹较多等特点,对信号进行去噪、滤波等预处理。针对脑电信号非平稳、非线性等特点,从时域、时频域以及非线性的角度对三种纹理形状所诱发的触感脑电信号进行综合分析。结果表明,触觉诱发的P300特征中,P300的峰值主要受触感舒适度的影响,舒适度越高P300的峰值越小,而潜伏期没有明显的差异。同时,纹理形状诱发的触感脑电ERP信号中δ节律为主导节律。通过递归分析可以看出,触觉刺激诱发脑电信号的轨迹周期递归程度非常大,在感知较难识别的试样时会使脑电系统状态变化更快,从波形上表现为波动更剧烈,此外较舒适的触感会使脑电系统的状态更加稳定。综合主观评价结果、摩擦试验结果、有限元仿真结果、核磁共振结果以及触觉脑电结果,可以发现:三种纹理试样中,手指触摸平角试样时的实际接触面积最大,使得黏着摩擦力较大,而皮肤内感受体所受应力较小,因此给人较大的黏着感以及较小的尖锐感,同时过大的黏着摩擦力也会降低舒适度;平角纹理带来的黏着感会激活较大的脑区范围和较强的激活强度;此外由于平角试样的纹理特征最不明显,触摸平角试样时的脑电系统状态变化更快。手指触摸尖角试样时的实际接触面积最小,形变摩擦力和皮肤内感受体所受应力较大,因此给人较大的尖锐感以及较小的黏着感,而过大的形变摩擦力也会降低舒适度;尖锐感会使左、右脑区产生正激活。触摸圆角试样时,摩擦力和皮肤内感受体所受应力的大小均适中,所以相对其他纹理表面,圆角纹理带来的舒适度较好,并且舒适度高时所激发的脑区范围小,激活强度低,此外舒适度高还会使触觉诱发的P300峰值降低。该论文有图44幅,表11个,参考文献106篇。