Fingeravtryck: Signalprocessorer för Touch

De kan verka lite mer än digital dekoration, men biomekanik har länge vetat att fingeravtryck har åtminstone en användning: de ökar friktionen och förbättrar därmed greppet. Det har också förekommit antydningar om att fingeravtryck spelar en roll för känselförnimmelsen. En möjlighet är att när ett finger flyttas över en yta, fungerar varje ås i ett fingeravtryck som en liten spak, som förstorar spänningen under ytan för nervändarna under.

Idag säger Georges Debregeas et amis vid universitetet i Paris 6 och 7 att det bara är en del av historien. Faktum är att den roll som fingeravtryck spelar i beröring är mycket viktigare och mer subtil än någon föreställt sig.

Debregeas et amis säger att det ser ut som om åsarna och virvlarna i fingeravtrycken filtrerar mekaniska vibrationer på ett sätt som gör att nervändar bäst kan känna av dem.

Mekanoreceptorerna som gör det här jobbet kallas Pacinian-kroppar. De sitter i ändarna av nerverna och är ansvariga för att känna av tryck och smärta. Dessa enheter kan känna av vibrationer över ett brett hudområde men är bara känsliga för ett begränsat antal vibrationer. Faktum är att biologer sedan en tid tillbaka har vetat att Pacinian-kroppar är mest känsliga för vibrationer vid 250Hz.

Så hur genererar fingrar den här typen av vibrationer? Biologer har alltid antagit att människor kan kontrollera frekvensen av vibrationer i huden genom att ändra hastigheten med vilken ett finger rör sig över en yta. Men det finns få bevis för att människor faktiskt gör detta och Paris-teamets upptäckt borde göra denna uppfattning föråldrad.

Debregeas och co har undersökt detta problem med hjälp av ett cyberfinger som de byggt i sitt labb, komplett med syntetiska fingeravtryck i samma skala som mänskliga och en mikroelektromekanisk sensor som mäter kraft med en rumslig upplösning på millimeter. Det de har hittat är häpnadsväckande.

De säger att fingeravtryck ger resonans vid vissa frekvenser och därför tenderar att filtrera bort mekaniska vibrationer. Det visar sig att deras resonansfrekvens är runt 250 Hz. Vilket häpnadsväckande sammanträffande!

Det betyder att fingeravtryck fungerar som signalprocessorer och konditionerar de mekaniska vibrationerna så att Pacinian-kropparna bäst kan tolka dem. Det är denna optimeringsprocess som gör att vi kan känna av texturer med en rumslig upplösning som är mycket mindre än avståndet mellan Pacinian-kroppar i huden.

Det borde inte förvåna någon som har följt utvecklingen inom robotik under de senaste åren. Det finns en växande medvetenhet om att bearbetningskraften i nervsystemet, inklusive hjärnan, helt enkelt inte kan hantera volymen av siffror som måste göras för att hålla en levande kropp på vägen.

Istället ser det allt tydligare ut att hjärnan lägger ut mycket av detta arbete på kroppen själv: till leder, ligament, muskler, hud etc. Att förstå hur dessa material gör all denna bearbetning gör materialvetenskap till en gren av datavetenskap. Den har till och med fått ett namn: morfologisk beräkning.

Detta arbete av Debregeas et amis är ett annat exempel på morfologisk beräkning och det skulle vara intressant att se en behandling av detta problem ur informationsteoretisk synvinkel.

Detta arbete med fingeravtryck borde ha viktiga implikationer för vår förståelse av beröring. Det ska också hjälpa till att utveckla bättre proteser och kan till och med bidra till att ge robotar en bättre känselkänsla.

Användbara saker då, fingeravtryck.

Ref: arxiv.org/abs/0911.4885 : Fingeravtryckens roll i kodningen av taktil information som undersöks med en biomimetisk sensor

Dölj