Welke factoren beïnvloeden hoe menselijke aanraking zachtheid waarneemt, alsof je met je vingertop tegen een marshmallow drukt, een stuk klei of een rubberen bal? Door deze vraag in detail te onderzoeken, een team van ingenieurs en psychologen van de Universiteit van Californië in San Diego ontdekte slimme trucs om materialen te ontwerpen die verschillende niveaus van waargenomen zachtheid nabootsen.

De bevindingen bieden fundamentele inzichten in het ontwerpen van tactiele materialen en haptische interfaces die realistische aanraaksensaties kunnen nabootsen, voor toepassingen zoals elektronische huid, prothesen en medische robotica. Onderzoekers beschrijven hun bevindingen in het nummer van 30 augustus van wetenschappelijke vooruitgang .

"We bieden een formule om een ​​spectrum van zachtheid na te bootsen. we helpen de kloof te dichten in het begrijpen wat er nodig is om sommige aspecten van aanraking opnieuw te creëren, " zei Charles Dhong, die de studie mede leidde als postdoctoraal onderzoeker aan UC San Diego en nu een assistent-professor in biomedische technologie is aan de Universiteit van Delaware. Dhong werkte samen met Darren Lipomi, een professor in nano-engineering aan UC San Diego en de co-corresponderende auteur van de studie.

Op basis van de resultaten van hun experimenten, de onderzoekers hebben vergelijkingen gemaakt die kunnen berekenen hoe zacht of hard een materiaal zal aanvoelen op basis van materiaaldikte, Young's modulus (een maat voor de stijfheid van een materiaal), en micropatroongebieden. De vergelijkingen kunnen ook het omgekeerde doen en berekenen, bijvoorbeeld, hoe dik of micropatroon een materiaal moet zijn om een ​​bepaald niveau van zachtheid te voelen.

"Wat hier interessant aan is, is dat we twee nieuwe manieren hebben gevonden om de waargenomen zachtheid van een object af te stemmen:micropatronen en het veranderen van de dikte, " zei Dhong. "Young's modulus is waar wetenschappers zich doorgaans naar wenden in termen van wat zacht of hard is. Het is een factor, maar nu laten we zien dat het slechts een deel van de vergelijking is."

Zachtheid herscheppen

De onderzoekers begonnen met het onderzoeken van twee parameters die ingenieurs gebruiken om de waargenomen zachtheid van een materiaal te meten:inkepingsdiepte (hoe diep een vingertop in een materiaal drukt) en contactgebied tussen de vingertop en het materiaal. Normaal gesproken, deze parameters veranderen beide tegelijkertijd als een vingertop in een object drukt. Raak een stuk zacht rubber aan, bijvoorbeeld, en het contactgebied wordt groter naarmate een vingertop dieper wordt ingedrukt.

Dhong, Lipomi en collega's waren benieuwd hoe de inkepingsdiepte en het contactgebied onafhankelijk van elkaar de perceptie van zachtheid beïnvloeden. Om deze vraag te beantwoorden, ze ontwikkelden speciaal materialen die de twee parameters ontkoppelden en testten ze vervolgens op menselijke proefpersonen.

De onderzoekers creëerden negen verschillende elastomere platen, elk met zijn eigen unieke verhouding van inkepingsdiepte tot contactoppervlak. De platen verschilden in hoeveelheid micropatronen op het oppervlak, dikte en Young's modulus.

Micropatterning is de sleutel tot het ontwerp. Het bestaat uit reeksen verhoogde microscopisch kleine pilaren die op het oppervlak van de platen zijn gestippeld. Deze kleine pilaren zorgen ervoor dat een vingertop dieper kan drukken zonder het contactgebied te veranderen. Dit is vergelijkbaar met het drukken tegen de metalen pinnen van een Pinscreen-speeltje, waar reeksen pinnen in en uit schuiven om een ​​3D-indruk te maken.

"Door deze oppervlaktestructuren met micropatronen te creëren, we produceren onderbroken contactgebieden waar de vinger naar binnen drukt die veel kleiner zijn dan de schaduw die het op het oppervlak zou werpen, ' zei Lipomi.

Het team testte de platen op 15 proefpersonen en gaf hen de opdracht om twee taken uit te voeren. Bij de eerste taak ze presenteerden proefpersonen meerdere paren platen en vroegen hen om de zachtere in elk paar te identificeren. Bij de tweede taak de onderzoekers lieten proefpersonen de negen platen rangschikken van zacht naar moeilijk.

Algemeen, de platen die proefpersonen als zachter beschouwden, waren dikker, had weinig tot geen micropatronen op het oppervlak, en had een lage Young's modulus. Ondertussen waren platen die harder aanvoelden dunner, had meer micropatronen en een hoge Young's modulus.

Zachtheid:een basisingrediënt van aanraking

Experimenten leidden de onderzoekers ook tot een interessante conclusie:de perceptie van zachtheid is een basissensatie, geen combinatie van andere sensaties.

"Dit betekent dat zachtheid een primair ingrediënt is van de menselijke tastzin. Het is net als hoe we RGB hebben voor kleurenschermen, ' zei Lipomi. 'Als we de andere 'aanraakpixels' kunnen vinden, ' kunnen we ze combineren om elk tastbaar beeld te maken dat we willen? Dit zijn de fundamentele dingen die we graag zouden willen weten in de toekomst."

Het artikel is getiteld:"Role of Indentation Depth and Contact Area on Human Perception of Softness for Haptic Interfaces."