DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37174-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593188
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Kaho Kurimoto وآخرون
الموضوع الرئيسي: التفاعلات اللمسية والحسية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة العلاقة بين صلابة الجلد والقوة العمودية المطبقة أثناء الاستكشاف اللمسي للأسطح الملمسة. تسلط الضوء على كيفية السماح بالإحساس اللمسي للأفراد بإدراك خصائص مادية مختلفة للأشياء، مثل الملمس والصلابة، حتى في غياب المهام المحددة. شملت الأبحاث ثلاثين مشاركًا تتراوح أعمارهم بين 18-25 عامًا وكشفت عن وجود علاقة كبيرة بين صلابة جلد أطراف الأصابع والقوة العمودية المطبقة أثناء حركات المسح الطبيعية. على وجه التحديد، كان الأفراد ذوو الجلد الأكثر صلابة يميلون إلى تطبيق قوة عمودية أكبر، بينما أولئك الذين لديهم جلد أكثر ليونة طبقوا قوة أقل.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن صلابة جلد أطراف الأصابع تظهر تباينًا أكبر من حجم الأصابع، ولا توجد علاقة بين حجم الأصابع والقوة العمودية المطبقة. وهذا يشير إلى أن خصائص الجلد، وخاصة الصلابة، تلعب دورًا حاسمًا في التأثير على الإدراك اللمسي والتفاعلات الميكانيكية أثناء اللمس. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية خصائص الجلد في فهم سلوكيات الاستكشاف اللمسي.
مقدمة
تناقش المقدمة الدور الحاسم للمس النشط في إدراك البيئة، مع التأكيد على كيفية استخدام الأفراد لحركات استكشافية محددة لتمييز خصائص الجسم مثل الشكل والملمس والصلابة ودرجة الحرارة. تشير الأبحاث إلى أن هذه الحركات نمطية للغاية ومُحسّنة للدقة والسرعة. على سبيل المثال، حدد ميتزجر وآخرون عملية من مرحلتين في البحث اللمسي: بحث أولي واسع باستخدام جميع الأصابع، يليه تحليل مفصل باستخدام الإصبعين الأوسط والسبابة. يحدث الإدراك الأمثل للملمس عندما تكون حركات الأصابع عمودية على الملمس، كما أظهر ليزكان ودروينغ، الذين لاحظوا أن المشاركين قاموا بتعديل حركاتهم لتعزيز تكرار الإشارات الزمنية.
علاوة على ذلك، تسلط المقدمة الضوء على أن الأفراد يمكنهم تعديل المعلمات مثل القوة وسرعة التتبع بشكل كمي بناءً على خصائص الجسم والمهمة المطروحة. وجد سميث وآخرون أن المشاركين قاموا بتغيير حركاتهم اللمسية وفقًا للاحتكاك السطحي والانحناء، حيث طبقوا قوة أقل على الأسطح المحدبة. أفاد كايم ودروينغ أن تطبيق قوة أكبر يحسن الحساسية في تمييز النعومة، بينما أشار كاتيرسيلار وآخرون إلى أن سرعات وقوى أعلى تُستخدم في الاتجاه الأمامي الخلفي مقارنة بالحركات الجانبية. بشكل عام، تؤكد هذه الفقرة على أن اللمس النشط يتضمن تعديلات استراتيجية لتعزيز الإدراك اللمسي، مع الإشارة إلى “اللمس الطبيعي” الذي يشير إلى التفاعلات العفوية مع الأشياء التي لا تتضمن مهام تحديد أو تمييز محددة.
طرق
تضمنت الإعدادات التجريبية، كما هو موضح في الشكل 5(أ)، لوحة أكريليك مثبتة أفقيًا تم اختيارها لسطحها الأملس لتقليل تأثير خشونة السطح على قياسات القوة العمودية. تم استخدام مستشعر قوة بستة محاور (ATI Gamma) في قاعدة الحامل لقياس كل من القوى الأفقية والعمودية بدقة. لالتقاط منطقة الاتصال بين طرف الإصبع والعينة، تم وضع كاميرا تحت العينة، باستخدام مرآة لرؤية مثالية. بالإضافة إلى ذلك، تم دمج إضاءة LED لتعزيز رؤية منطقة الاتصال، بينما تم إخفاء الإعداد لمنع المشاركين من رؤية المحفز، مما يضمن تفاعلات غير متحيزة.
نتائج
في هذه الدراسة، قام الباحثون بقياس نصف قطر الإصبع ($R$)، القوة العمودية ($F_n$)، ومعامل الاحتكاك أثناء اللمس الطبيعي، بينما قدروا أيضًا معامل يونغ ($E$) للمشاركين باستخدام نظرية الاتصال لهيرتز. وُجد أن متوسط معامل التحديد ($R^2$) للعلاقة بين منطقة الاتصال والقوة العمودية كان $0.73 \pm 0.24$. لوحظت علاقة كبيرة بين القوة العمودية ومعامل يونغ ($r = 0.75$, $p = 2.3 \times 10^{-6}$)، مما يشير إلى أن المشاركين ذوي الأصابع الأكثر صلابة (أعلى $E$) طبقوا قوى أكبر أثناء اللمس. على العكس، لم يتم العثور على علاقة كبيرة بين القوة العمودية ونصف قطر الإصبع ($r = 0.045$, $p = 0.81$).
كما كشفت التحليلات عن وجود علاقة بين القوة العمودية ومنطقة الاتصال ($r = 0.51$, $p = 0.0043$)، بينما لم يتم تحديد أي علاقات كبيرة بين منطقة الاتصال ومعامل يونغ ($r = 0.10$, $p = 0.59$) أو نصف قطر الإصبع ($r = 0.24$, $p = 0.20$). بالإضافة إلى ذلك، وُجدت علاقة بين القوة العمودية ومنطقة الاتصال النسبية (المعرفة كنسبة منطقة الاتصال إلى حجم الإصبع)، مع $r = 0.53$ و$p = 0.0028$، مما يشير إلى أن المشاركين ذوي مناطق الاتصال النسبية الأكبر طبقوا قوى عمودية أكبر. كما حسبت الدراسة معاملات الاحتكاك، والتي كانت عمومًا متسقة بين المشاركين، على الرغم من ملاحظة بعض القيم الشاذة. أخيرًا، لم تُلاحظ أي اختلافات ذات دلالة إحصائية بين الجنسين عبر جميع المعلمات المقاسة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المهمة المتعلقة بالعلاقة بين صلابة الجلد، القوة العمودية، والإدراك اللمسي أثناء اللمس الطبيعي. وجدت الدراسة أن معامل يونغ، الذي يشير إلى صلابة الجلد، يختلف بين الأفراد وكان مرتبطًا إيجابيًا بالقوة العمودية المطبقة أثناء اللمس. قام المشاركون ذوو الجلد الأكثر صلابة (أعلى معامل يونغ) بتطبيق قوى عمودية أكبر، بينما أولئك الذين لديهم جلد أكثر ليونة طبقوا قوة أقل. وهذا يشير إلى أن صلابة الجلد هي عامل حاسم يؤثر على القوة العمودية أثناء التفاعلات اللمسية، مما يدعم الفرضية القائلة بأن الخصائص الميكانيكية للجلد تؤثر على الإدراك اللمسي.
علاوة على ذلك، لاحظت الدراسة أنه بينما لم يرتبط حجم طرف الإصبع بمعامل يونغ، قد تلعب عوامل مثل سمك الجلد والترطيب دورًا في تحديد صلابة الجلد. كما أشارت النتائج إلى أن منطقة الاتصال بين طرف الإصبع والسطح تأثرت بشكل كبير بالقوة العمودية، على الرغم من عدم ملاحظة العلاقة بين نصف قطر طرف الإصبع والقوة العمودية عبر الأفراد. تسهم النتائج في فهم أعمق لكيفية تفاعل الخصائص الفيزيائية للجلد والقوى المطبقة أثناء الاستكشاف اللمسي، مما يمهد الطريق لأبحاث مستقبلية حول ميكانيكا اللمس وآثارها على واجهات الإنسان-الكمبيوتر وأنظمة التغذية الراجعة اللمسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37174-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593188
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Kaho Kurimoto et al.
Primary Topic: Tactile and Sensory Interactions
Overview
This study investigates the relationship between skin stiffness and the normal force exerted during tactile exploration of textured surfaces. It highlights how tactile sensations allow individuals to perceive various physical properties of objects, such as texture and hardness, even in the absence of specific tasks. The research involved thirty participants aged 18-25 and revealed a significant correlation between fingertip skin stiffness and the normal force applied during natural stroking motions. Specifically, individuals with stiffer skin tended to exert a greater normal force, while those with softer skin applied less force.
Moreover, the findings indicate that fingertip skin stiffness exhibits greater variability than finger size, and there is no correlation between finger size and the normal force applied. This suggests that skin properties, particularly stiffness, play a crucial role in influencing tactile perception and the mechanical interactions during touch. Overall, the study underscores the importance of skin characteristics in understanding tactile exploration behaviors.
Introduction
The introduction discusses the critical role of active touch in environmental perception, emphasizing how individuals utilize specific exploratory movements to discern an object’s properties such as shape, texture, hardness, and temperature. Research indicates that these movements are highly stereotypical and optimized for accuracy and speed. For instance, Metzger et al. identified a two-phase process in haptic search: an initial broad search with all fingers, followed by a detailed analysis using the middle and index fingers. Optimal texture perception occurs when finger movements are perpendicular to the texture, as shown by Lezkan and Drewing, who noted that participants adjusted their movements to enhance temporal cue frequency.
Furthermore, the introduction highlights that individuals can quantitatively modify parameters like force and tracing speed based on the object’s characteristics and the task at hand. Smith et al. found that participants varied their tactile motions according to surface friction and curvature, applying less force on convex surfaces. Kaim and Drewing reported that greater force application improves sensitivity in softness discrimination, while Katircilar et al. noted that higher velocities and forces are employed in the anteroposterior direction compared to lateral movements. Overall, the section underscores that active touch involves strategic adjustments to enhance haptic perception, with “Natural Touch” referring to casual interactions with objects that do not involve specific identification or discrimination tasks.
Methods
The experimental setup, as illustrated in Fig. 5(a), involved a horizontally fixed acrylic plate chosen for its smooth surface to reduce the impact of surface roughness on normal force measurements. A 6-axis force sensor (ATI Gamma) was employed at the base of the stand to accurately measure both horizontal and normal forces. To capture the contact area between the fingertip and the sample, a camera was positioned beneath the sample, utilizing a mirror for optimal visibility. Additionally, LED lighting was incorporated to enhance the visibility of the contact region, while the setup was obscured to prevent participants from seeing the stimulus, ensuring unbiased interactions.
Results
In this study, the researchers measured the finger radius ($R$), normal force ($F_n$), and coefficient of friction during natural rubbing touch, while also estimating Young’s modulus ($E$) for participants using Hertz’s contact theory. The mean coefficient of determination ($R^2$) for the relationship between contact area and normal force was found to be $0.73 \pm 0.24$. A significant correlation was observed between the normal force and Young’s modulus ($r = 0.75$, $p = 2.3 \times 10^{-6}$), indicating that participants with stiffer fingers (higher $E$) applied greater forces during touch. Conversely, no significant correlation was found between normal force and finger radius ($r = 0.045$, $p = 0.81$).
The analysis also revealed a correlation between normal force and contact area ($r = 0.51$, $p = 0.0043$), while no significant relationships were identified between contact area and Young’s modulus ($r = 0.10$, $p = 0.59$) or finger radius ($r = 0.24$, $p = 0.20$). Additionally, a correlation was found between normal force and relative contact area (defined as the ratio of contact area to finger size), with $r = 0.53$ and $p = 0.0028$, suggesting that participants with larger relative contact areas exerted greater normal forces. The study also calculated friction coefficients, which were generally consistent among participants, although some outliers were noted. Finally, no statistically significant gender differences were observed across all measured parameters.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant findings regarding the relationship between skin stiffness, normal force, and tactile perception during natural touch. The study found that Young’s modulus, which indicates skin stiffness, varied among individuals and was positively correlated with the normal force applied during touch. Participants with stiffer skin (higher Young’s modulus) exerted greater normal forces, while those with softer skin applied less force. This suggests that skin stiffness is a critical factor influencing the normal force during tactile interactions, supporting the hypothesis that mechanical properties of the skin affect tactile perception.
Additionally, the study noted that while fingertip size did not correlate with Young’s modulus, factors such as skin thickness and hydration may play a role in determining skin stiffness. The findings also indicated that the contact area between the fingertip and the surface was significantly influenced by the normal force, although the relationship between fingertip radius and normal force was not observed across individuals. The results contribute to a deeper understanding of how physical characteristics of the skin and applied forces interact during tactile exploration, laying the groundwork for future research on the mechanics of touch and its implications for human-computer interfaces and tactile feedback systems.