Відбитки пальців збільшують чутливість шкіри в сто разів

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 64

Павукоподібні мавпи віртуозно використовують свій довгий хвіст не тільки для лазання по деревах, але і для дослідження навколишнього світу. Можливо, саме з цієї причини на кінчику хвоста сформувалася подоба папілярних ліній, що збільшують чутливість шкіри. Фото з сайтів www.flickr.com/photos/nebarnix і cabinet-of-wonders.blogspot.com

Чому у людини є відбитки пальців? Досі на це дитяче питання відповідали імовірно, виходячи із загального здорового глузду. Вважалося, що папілярні лінії покращують чутливість пальців або що вони, збільшуючи тертя, допомагають пальцям утримувати предмети. Французькі вчені змогли відповісти на це питання, спираючись на факти, а не логіку. Їх дослідження показало, що відбитки пальців збільшують чутливість шкіри в сто разів. Регулярні лінії відбитків працюють як частотний фільтр, в результаті тактильним рецепторам передається сигнал в оптимальному діапазоні сприйняття.

У людини тактильне сприйняття йде двома каналами. Першим каналом передається інформація про грубозернисту текстуру, з розміром нерівностей від 200 мікрометрів (0,2 мм). Цю інформацію сприймають механорецептори, які повільно адаптуються. Вони оцінюють тиск і розмір області контакту пальців і досліджуваної поверхні. Інші рецептори — які швидко адаптуються — відчувають тонку текстуру. Вони реагують на швидкість зміщення нерівності відносно певної точки шкіри. Найбільш сприйнятливими рецепторами цього типу є так звані тільця Пачіні (Pacinian corpuscles), названі на ім’я італійського анатома Філіппо Пачіні (Filippo Pacini); іноді їх ще називають тільця Фатера-Пачіні. Їх чутливість настільки висока, що вони можуть відчути зсув пальця на 0,0025 мм. Тільця Пачіні реагують на вібрацію, що виникає в шкірі; оптимальна для сприйняття частота становить близько 250 Гц, а область сприйманих частот невисока. Фахівці з біомеханіки з Вищої нормальної школи в Парижі задалися питанням: як же широкий розмах частот шкірної вібрації сприймається тільцями Пачіні, налаштованими на вузький частотний діапазон?

Щоб відповісти на це питання, вчені побудували модель кінчика пальця — сенсор завширшки 0,5 мм зі спеціальним гумоподібним покриттям, що сприймає, як і тільця Пачіні, зміну тиску. Механічні характеристики сенсорного покриття були ідентичні властивостям людської шкіри на кінчиках пальців. Один варіант «шкіри» був гладким, а інший — покритий папілярними лініями, що повторюють структуру і частоту ліній на пальцях. Тепер залишилося тільки провести експерименти з двома варіантами шкіри і порівняти, наскільки лінії впливають на сприйняття сенсора. В експерименті сенсор був жорстко закріплений на станині. По поверхні штучної шкіри рухався шматочок скла з витравленими неупорядкованими тонкими штрихами. Швидкість руху і тиск на «шкіру» були приблизно такими ж, як при дослідженні текстури пальцями.

A — експериментальна установка: 1 — сенсор, 2 — нерухоме підґрунтя (станина), 3 — покриття з гумоподібного матеріалу товщиною не більше 2 мм, 4-5 — система їх двох кантилеверів, 6-7 — ємнісні позиційні сенсори (capacitive position sensors), 8 — скло з нанесеними на нього випадково розташованими штрихами (9). B — змодельовані відбитки пальців. C — людські відбитки пальців у місці контакту пальця і поверхні (довжина масштабної лінійки 2 мм). Ріс. з обговорюваної статті в Science

Виявилося, що шкіра з відбитками сприймає штрихи на склі набагато краще, ніж шкіра без відбитків. Регулярно розташовані папілярні лінії працюють як частотний фільтр. Якщо гладкий сенсор сприймав зміну тиску на відстані близько міліметра, то сенсор з відбитками відчував зміну тиску в діапазоні відстані між папілярними лініями. А це означає збільшення чутливості приблизно на два порядку. У результаті роботи такого папілярного фільтра тактильним рецепторам — тільцям Пачіні — передається сигнал в оптимальному діапазоні сприйняття. Принцип частотних фільтрів використовується не тільки при тактильній рецепції, але і в розпізнаванні зорових образів, так що, можливо, це загальний принцип налаштування сенсорних систем.

Вся сенсорна система з відбитками пальців повинна працювати ефективніше, коли об’єкт сприйняття (в даному випадку — нерівності на гладкому склі) ковзає перпендикулярно папілярним лініям. Цілком ймовірно, що лінії на пальцях у людини неспроста оформлені у вигляді петель. В якому б напрямку не рухалися пальці, якась частина ліній обов’язково буде розташована перпендикулярно руху. У макак відбитки пальців теж є, але вони витягнуті вздовж осі пальця. Цей факт можна тлумачити двояко. З одного боку, петлі можуть розглядатися як людське ноу-хау для вдосконалення тактильної рецепції, а з іншого боку, це може говорити про те, що у макак інший спосіб відчупування предметів.

Джерело: J. Scheibert, S. Leurent, A. Prevost, G. Debrégeas. The Role of Fingerprints in the Coding of Tactile Information Probed with a Biomimetic Sensor // Science. 13 March 2009. V. 323. P. 1503–1506. DOI: 10.1126/science.1166467.

Олена Наймарк