Odciski palców: procesory sygnałowe do obsługi dotykowej

Mogą wydawać się niewiele więcej niż dekoracją cyfrową, ale biomechanicy od dawna wiedzą, że odciski palców mają co najmniej jedno zastosowanie: zwiększają tarcie, poprawiając w ten sposób chwyt. Pojawiły się również wskazówki, że odciski palców odgrywają rolę w odczuwaniu dotyku. Jedną z możliwości jest to, że kiedy palec jest przesuwany po powierzchni, każdy grzbiet w odcisku palca działa jak maleńka dźwignia, zwiększając podpowierzchniowe obciążenie zakończeń nerwowych znajdujących się poniżej.

Dzisiaj Georges Debregeas et amis z Uniwersytetu Paryskiego 6 i 7 twierdzą, że to tylko część historii. W rzeczywistości rola, jaką odciski palców odgrywają w kontakcie, jest o wiele ważniejsza i bardziej subtelna, niż ktokolwiek sobie wyobrażał.

Debregeas et amis twierdzą, że wygląda to tak, jakby grzbiety i spirale w odciskach palców filtrowały wibracje mechaniczne w sposób, który najlepiej umożliwia wyczuwanie ich przez zakończenia nerwowe.

Mechanoreceptory, które wykonują tę pracę, nazywane są ciałkami Paciniego. Siedzą na końcach nerwów i odpowiadają za wyczuwanie ucisku i bólu. Urządzenia te mogą wykrywać wibracje na dużym obszarze skóry, ale są wrażliwe tylko na ograniczony zakres wibracji. W rzeczywistości biolodzy już od jakiegoś czasu wiedzieli, że ciałka Paciniego są najbardziej wrażliwe na wibracje o częstotliwości 250 Hz.

Jak więc palce wytwarzają tego rodzaju wibracje? Biolodzy zawsze zakładali, że ludzie mogą kontrolować częstotliwość wibracji w skórze, zmieniając prędkość, z jaką palec porusza się po powierzchni. Ale niewiele jest dowodów na to, że ludzie faktycznie to robią, a odkrycie zespołu paryskiego powinno sprawić, że ten pogląd stanie się przestarzały.

Debregeas i spółka zbadali ten problem za pomocą cyberpalca, który zbudowali w swoim laboratorium, wraz z syntetycznymi odciskami palców w tej samej skali co ludzkie oraz mikroelektromechanicznym czujnikiem, który mierzy siłę z przestrzenną rozdzielczością milimetrów. To, co znaleźli, jest zdumiewające.

Mówią, że odciski palców rezonują przy określonych częstotliwościach, a więc mają tendencję do filtrowania wibracji mechanicznych. Okazuje się, że ich częstotliwość rezonansowa wynosi około 250 Hz. Co za zdumiewający zbieg okoliczności!

Oznacza to, że odciski palców działają jak procesory sygnałowe, warunkując wibracje mechaniczne, aby ciałka Paciniego mogły je najlepiej zinterpretować. To właśnie ten proces optymalizacji pozwala nam wyczuwać tekstury z rozdzielczością przestrzenną znacznie mniejszą niż odległość między ciałkami Paciniana w skórze.

Nie powinno to dziwić nikogo, kto śledził rozwój robotyki w ciągu ostatnich kilku lat. Rośnie świadomość, że moc przetwarzania systemu nerwowego, w tym mózgu, po prostu nie jest w stanie poradzić sobie z ilością chrupania liczb, które trzeba wykonać, aby utrzymać żywe ciało w ruchu.

Zamiast tego, coraz wyraźniej wygląda na to, że mózg zleca większość tej pracy samemu ciału: stawom, więzadłom, mięśniom, skórze itd. Zrozumienie, w jaki sposób te materiały wykonują całe to przetwarzanie, zmienia materiałoznawstwo w gałąź informatyki. Ma nawet nazwę: obliczenia morfologiczne.

Ta praca Debregeas et amis jest kolejnym przykładem obliczeń morfologicznych i byłoby interesujące zobaczyć podejście do tego problemu z punktu widzenia teorii informacji.

Ta praca nad odciskami palców powinna mieć ważne implikacje dla naszego zrozumienia dotyku. Powinno to również pomóc w rozwoju lepszych protez, a nawet zapewnić robotom lepsze wyczucie dotyku.

Przydatne więc rzeczy, odciski palców.

Nr ref.: arxiv.org/abs/0911.4885 : Rola odcisków palców w kodowaniu informacji dotykowych sondowanych czujnikiem biomimetycznym

ukryć