化學(xué)觸覺：我們能在虛擬世界感受真實(shí)觸感嗎？

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：水水

警報(bào)突然響起，他快速離開現(xiàn)場，剛走到出口時(shí)卻突然發(fā)生爆炸，火星濺落到他身上，令他感到陣陣刺痛。來到外面，天空中飄著雪花，寒意襲來，他發(fā)現(xiàn)原來是旁邊核反應(yīng)室里發(fā)出的警報(bào)。他前往探查，卻發(fā)現(xiàn)手臂麻痹無力，好不容易打開房門，只見房間內(nèi)熱浪滾滾，他周身被一股灼燒的窒息感包圍……

但是，當(dāng)他摘下 VR 頭盔，一切都終止了。

這是一次模擬體驗(yàn)。那些知覺上的變化，無論是冷和熱，還是手腳的麻木和舒展，沒有一樣真正來自他身處的環(huán)境。他感受到的，是幾種化學(xué)物質(zhì)通過一個(gè)可穿戴設(shè)備接觸到皮膚之后所產(chǎn)生的：手臂麻木僵硬，是因?yàn)槔ǘ嘁蚪佑|到了皮膚；撲面而來的熱浪，是因?yàn)槔苯匪乇会尫诺矫娌?；刺痛的感覺來自山椒醇，而最后那種冰涼的感覺則是薄荷醇的作用。

這個(gè)神乎其神的可穿戴設(shè)備，利用的是一種叫作“化學(xué)觸覺”（chemical haptics）的技術(shù)。事實(shí)上，化學(xué)物質(zhì)一直被用來理解觸覺機(jī)制。20 世紀(jì) 90 年代，關(guān)于薄荷醇和辣椒素的研究，幫助我們明確了身體在遇到冷熱刺激后會如何做出反應(yīng)。現(xiàn)在，芝加哥大學(xué)的 Jasmine Lu 和她的同事正在應(yīng)用這方面的知識，來制造一種由化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的“觸覺”。

觸覺，不止接觸

Haptics 這個(gè)詞，直接翻譯過來就是“觸覺”，它可以指代與接觸、觸感有關(guān)的任何含義，不過現(xiàn)在更多的是用作觸覺技術(shù)的簡稱。觸覺技術(shù)能在無須直接接觸的情形下產(chǎn)生觸感。它并不是一個(gè)新鮮詞，應(yīng)用了觸覺技術(shù)的設(shè)備在日常生活中隨處可見。比如：iPhone 7 上的 home 鍵并不是一個(gè)實(shí)體按鍵，它不能被按下，而是通過感知振動(dòng)“假裝”被按了下去 —— 這或許是觸覺技術(shù)在我們身邊最常見的應(yīng)用。

觸覺技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止一個(gè)小小的手機(jī)按鍵。觸覺設(shè)備可以幫助中風(fēng)患者重新獲得手臂的知覺，它還可以為醫(yī)學(xué)生的心肺復(fù)蘇訓(xùn)練提供逼真的觸覺反饋。2019 年，香港研究人員開發(fā)了一種虛擬皮膚，可以“擁抱”世界各地的親人。

這類設(shè)備的局限，在于它們大多通過力或振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)功能，因此它們只能使用觸覺機(jī)制的一種形式 —— 壓力，而我們的皮膚能感知到的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止壓力這一個(gè)因素。比如，你摸到一塊冰塊和一塊烙鐵（假如能下得去狠手的話），很顯然，這兩個(gè)物體帶給你的感覺是不同的，這說明在壓力之外，你的皮膚還感覺到了其他類型的刺激。觸覺是由皮膚中各種各樣的感受器共同作用產(chǎn)生的，皮膚有溫度感受器來感知冷熱，有機(jī)械感受器來感知振動(dòng)、壓力，有傷害性感受器來感知疼痛。那么，如果能把這些感覺全部模擬出來并且集成到同一個(gè)設(shè)備里，就可以復(fù)制一種極度逼真的觸覺。

化學(xué)觸覺技術(shù)的用意，就是用化學(xué)物質(zhì)把這些冷、熱、振動(dòng)、壓力等感覺“一攬子”模擬出來。這個(gè)方案是可行的。與 Jasmine Lu 同在一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的 Jas Brooks 早先曾經(jīng)設(shè)計(jì)過一個(gè) VR 頭盔，它能將薄荷醇、辣椒素等化學(xué)物質(zhì)釋放到鼻腔的三叉神經(jīng)處，然后三叉神經(jīng)就能將冷熱的感覺（也就是溫度信息）傳達(dá)給大腦。而且，使用者不僅僅是因?yàn)槁劦搅吮『纱蓟蛘呃苯匪氐臍馕抖?lián)想到了冷和熱，他們之所以有冷熱的感覺，還因?yàn)槿嫔窠?jīng)在明明白白地“告訴”大腦：現(xiàn)在環(huán)境的溫度就是變了。

通過給使用者皮膚上給予化學(xué)物質(zhì)刺激，讓他們感受到不同形式的“觸覺”，目前可以實(shí)現(xiàn)刺痛、麻木、清涼、溫暖的感覺。圖片來源：參考資料 [2]

但說實(shí)話用這個(gè)設(shè)備實(shí)在是找虐，讓辣椒素直接泵入鼻腔，熱的感覺倒是傳達(dá)得很準(zhǔn)確，那辣到直通天靈蓋的感覺想想就夠了。很顯然，這個(gè)設(shè)備雖然有效，卻不太會有人愿意用它。所以，Jasmine Lu 想要尋找一種能繞過鼻子、直接通過皮膚產(chǎn)生觸覺的途徑。那么，化學(xué)物質(zhì)如何作用于皮膚產(chǎn)生種種感覺呢？巧了，已經(jīng)有人完美解答了這個(gè)問題。

辣椒素和薄荷醇給出的啟示

上世紀(jì) 90 年代初，加利福尼亞大學(xué)的戴維?朱利烏斯（David Julius）想要尋找一種替代阿片類的止痛藥。但是首先，他需要從分子生物學(xué)上了解人體是如何感知到疼痛的，以及觸覺的信號通道是如何被強(qiáng)化的。

他和同事創(chuàng)建了一個(gè)由幾百萬個(gè) DNA 片段組成的資源庫，每一個(gè)片段都與神經(jīng)元中能對疼痛、熱和觸感做出反應(yīng)的基因相對應(yīng)。既然辣椒素能讓皮膚產(chǎn)生火辣辣的灼熱感，那么細(xì)胞上就一定有能響應(yīng)辣椒素的受體，且這些 DNA 片段中必然存在能編碼這種受體蛋白的基因。經(jīng)過了很長一段時(shí)間的研究后，在 1997 年，他們終于識別出了一個(gè)叫作 TRPV1 的受體。TRPV1 位于傷害性感受神經(jīng)元的細(xì)胞膜上，當(dāng)受到辣椒素的刺激時(shí)，TRPV1 會打開離子通道做出響應(yīng)。有意思的是，TRPV1 同樣會被熱刺激激活，當(dāng)遇到 43℃以上的高溫時(shí)，TRPV1 會釋放一模一樣的電信號并傳達(dá)給大腦 —— 所以“辣”和“熱”帶給我們的感受是很相似的。

這個(gè)結(jié)論可以解釋很多關(guān)于辣的現(xiàn)象。我們常常把“酸甜苦辣”并提，但其實(shí)仔細(xì)一想就知道，辣和其他三味明顯不同。舉個(gè)例子，如果你用剛剛切過辣椒的手揉了眼睛，你的眼睛也會感到火辣辣的，而如果用剛剛摸過蛋糕的手去揉眼睛，眼睛并不會感到甜。還有，冬天吃火鍋的時(shí)候，你的嘴巴里感到辣，同時(shí)身上也感到越來越暖和。這些例證都在提示我們，辣和熱有著異曲同工的關(guān)聯(lián)，辣并不是一種味覺，它本質(zhì)上是一種“熱覺”。

David Julius 等人繼續(xù)用了多年時(shí)間，詳細(xì)研究了由感受器、神經(jīng)元、受體和離子通道組成的復(fù)雜體系，我們那些層出不窮又妙不可言的觸覺感受就來自于它們的共同作用。這項(xiàng)研究中的另一位核心人物阿登?帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），以薄荷醇為研究對象發(fā)現(xiàn)了皮膚產(chǎn)生“冷覺”的機(jī)制，隨后又發(fā)現(xiàn)了皮膚上的壓力感受器。這些工作讓人們逐漸理解了何為觸覺。2021 年，David Julius 和 Ardem Patapoutian 因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了溫度和觸覺感受器而獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

他們的工作也給了 Jasmine Lu 很大的啟發(fā)，她因此重新制定了實(shí)驗(yàn)方案。她不再通過創(chuàng)造熱環(huán)境、施加力或振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)觸覺技術(shù)，而是試圖使用化學(xué)物質(zhì)直接刺激皮膚，并觸發(fā)皮膚中的受體來模擬與觸覺相關(guān)的種種感覺。

第三種“化學(xué)感覺”

我們能感覺到來自化學(xué)物質(zhì)的刺激，是因?yàn)榧?xì)胞上的受體能與化學(xué)分子相互作用，然后做出響應(yīng)并將信號傳遞給大腦。在大多數(shù)人的固有認(rèn)知里，這個(gè)過程主要體現(xiàn)為嗅覺和味覺。不過，如果你的想法只停留在這兒，顯然就低估了受體。

嗅覺的受體在鼻腔，味覺的受體在舌頭上，其實(shí)你能想象即使沒有鼻子和舌頭，也還會有第三種“化學(xué)感覺”存在。比如，涂上風(fēng)油精，你會感到?jīng)鼋z絲的，這就是薄荷腦的作用，而且這種作用完全沒有經(jīng)過鼻子和舌頭。又如，你咀嚼花椒的時(shí)候，不僅口腔里麻麻辣辣的，嘴唇也會有針刺似的感覺，這是因?yàn)榛ń分杏幸环N關(guān)鍵成分叫作山椒醇，它會與嘴唇皮膚上的痛覺感受器和機(jī)械感受器（特別是感知振動(dòng)的感受器）發(fā)生作用，就好像有個(gè)振動(dòng)小馬達(dá)放在嘴唇上似的，所以你會感到有一種刺痛感?？梢?，響應(yīng)化學(xué)刺激的受體不僅存在于鼻子和舌頭，化學(xué)物質(zhì)引發(fā)的感覺也不局限于嗅覺和味覺。

那么，該怎樣定義、命名、描述這第三種“化學(xué)感覺”呢？

1912 年，美國動(dòng)物學(xué)家 George H. Parker 提出了“共同化學(xué)感覺”的概念，用來描述動(dòng)物身上（尤其是皮膚）的化學(xué)感受性，Parker 通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這是廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)的性質(zhì)，而非味覺和嗅覺神經(jīng)的特性。20 世紀(jì) 50 年代的研究表明，這種“共同化學(xué)感覺”至少部分是由疼痛感受器的受體介導(dǎo)的，“共同化學(xué)感覺”實(shí)際上是一種特殊的痛覺。前面提到的關(guān)于辣椒素和薄荷醇的研究，也讓人們意識到“共同化學(xué)感覺”和溫度感覺可能是同一回事。到了 20 世紀(jì) 90 年代，才有人提出用“化學(xué)物理覺”（chemesthesis）這個(gè)概念替代“共同化學(xué)感覺”，來描述這第三種化學(xué)感覺。按照定義，化學(xué)物理覺是一類具有痛覺、溫度感覺和觸覺復(fù)合感覺特性的體覺。

不難發(fā)現(xiàn)，化學(xué)物理覺和化學(xué)觸覺在涵義上存在一定的重疊。但甭管它叫什么名頭，你其實(shí)早就是這個(gè)概念的“消費(fèi)用戶”了。你買的藥膏，有些會使用高濃度的冬青油（內(nèi)含薄荷成分）在皮膚上制造一個(gè)吸熱反應(yīng)，起到緩解疼痛的效果；你使用的皮膚護(hù)理產(chǎn)品，有的會使用辣椒素來促進(jìn)血液循環(huán)；你每天都會用到的牙膏，清新感覺大多來自薄荷醇。

有前景，亦有局限

現(xiàn)在，Jasmine Lu 的團(tuán)隊(duì)把這種化學(xué)觸覺技術(shù)應(yīng)用到了 VR 方面。他們創(chuàng)建了一種可穿戴設(shè)備，將化學(xué)物質(zhì)儲存在可穿戴設(shè)備里，并通過微型泵推動(dòng)著流經(jīng)對皮膚開放的通道，讓皮膚在試劑通過時(shí)接觸到甚至吸收它們，進(jìn)而產(chǎn)生種種感覺：山椒醇被用于制造刺痛的感覺，辣椒素可以模擬熱，薄荷醇用來制造寒冷的感覺，肉桂醛被用來引發(fā)瘙癢感，而一種常見的麻藥利多卡因可以讓皮膚麻木僵硬。因此，它可以協(xié)助創(chuàng)造一個(gè)逼真的虛擬世界。這對于暢游游戲世界的玩家來說，無疑是一個(gè)令人激動(dòng)的消息。但是，我們能完全用這種體驗(yàn)替代真實(shí)的觸覺嗎？如果不能，這兩種“觸覺”的差別在哪里呢？

在 2021 年的用戶界面軟件與技術(shù)大會（User Interface Software and Technology conference）上，他們發(fā)布了一則視頻，視頻中是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場景，一個(gè)人佩戴著他們設(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備，正在“經(jīng)歷”一次驚險(xiǎn)刺激的核事故 —— 也就是本文開頭的那個(gè)場景。

不過，并不是所有人都對這一技術(shù)感到興奮，甚至，并不是所有人都認(rèn)同它的意義。至少在有些領(lǐng)域的從業(yè)者看來，觸摸是具有社會學(xué)意義的一種行為，它不單單是一個(gè)動(dòng)作，有時(shí)還象征著情感連接，是不能簡單粗暴地用冷、熱、疼、麻來概括和取代的 —— 比如，擼貓時(shí)手指撫過貓咪毛發(fā)的那種感覺，溫柔又舒緩，十分解壓，就很難憑幾種化學(xué)物質(zhì)復(fù)制得出來。

這些質(zhì)疑的聲音也揭示了這一技術(shù)的局限性。為什么擼貓如此解壓？答案就在介導(dǎo)這一類觸覺的神經(jīng)纖維上。不同于感知冷或熱、痛或癢的那種觸覺（被稱為辨別性觸覺，discriminative touch），擼貓時(shí)的觸覺是一種情感性觸覺（affective touch），它由一種特殊的神經(jīng)纖維 ——CT 纖維主導(dǎo)。CT 纖維只對緩慢的、輕柔的觸摸有響應(yīng)，例如每秒移動(dòng) 5 厘米左右的觸摸刺激。擼貓時(shí)的觸摸就是這種類型的刺激，按摩時(shí)最讓我們舒服的頻率差不多也是如此。顧名思義，之所以叫作“情感性”觸覺，是因?yàn)樗芘c人們的心理作用和情緒體驗(yàn)產(chǎn)生聯(lián)系。Jasmine Lu 的化學(xué)觸覺系統(tǒng)能夠模擬出來的都是辨別性觸覺，對于情感性觸覺是無能為力的。這確實(shí)是化學(xué)觸覺技術(shù)的局限，它從原理上就無法真正地、全方位地模擬觸覺。即便如此，它的前景依然令人期待。

其實(shí)，很多人對這一技術(shù)存在誤解?；瘜W(xué)觸覺技術(shù)本來就不是要取代真正的觸摸，就好像 VR 做得再逼真，也沒有人會認(rèn)為可以在 VR 里過日子一樣?；瘜W(xué)觸覺設(shè)備真正的應(yīng)用場景在于它可以提升數(shù)字世界中的體驗(yàn)，能讓我們在虛擬情境中去做、去體驗(yàn)我們?nèi)粘Ｉ钪凶霾涣说氖虑?—— 比如替代消防員的部分訓(xùn)練，因?yàn)樗梢阅M火海中的一些感覺，卻不用真的置身火海。

或者我們可以說，Jasmine Lu 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種化學(xué)觸覺技術(shù)，是與 VR 領(lǐng)域的發(fā)展相互成就的。事實(shí)上，人們在虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)已經(jīng)足夠逼真，也正因如此，“元宇宙”才會成為當(dāng)下最火熱的概念之一，但是，我們要想達(dá)到媲美真實(shí)世界的感覺，可能還需要在視覺和聽覺以外，模擬出更豐富更多樣的感覺 —— 確切地說，是一種完整又全面的，包含了冷、熱、痛、麻等“辨別性觸覺”和令人舒服的“情感性觸覺”。

參考資料

• [1] Artificial touch: The new tech making virtual reality more immersive. New Scientist. Issue 3378.

• [2] https://doi.org/10.1145/3472749.3474747

• [3] https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/press-medicineprize2021.pdf

出品：科普中國

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