211service.com
Vingerafdrukken: signaalprocessors voor aanraking
Ze lijken misschien niet veel meer dan digitale decoratie, maar biomechanica weet al lang dat vingerafdrukken minstens één doel hebben: ze verhogen de wrijving en verbeteren daardoor de grip. Er zijn ook aanwijzingen dat vingerafdrukken een rol spelen bij het gevoel van aanraking. Een mogelijkheid is dat wanneer een vinger over een oppervlak wordt bewogen, elke richel in een vingerafdruk werkt als een kleine hefboom, waardoor de ondergrondse spanning voor de zenuwuiteinden eronder wordt vergroot.
Vandaag zeggen Georges Debregeas et amis van de Universiteit van Parijs 6 en 7 dat dit slechts een deel van het verhaal is. In feite is de rol die vingerafdrukken spelen bij aanraking veel belangrijker en subtieler dan iemand zich ooit had kunnen voorstellen.
Debregeas et amis zeggen dat het lijkt alsof de ribbels en kransen in vingerafdrukken mechanische trillingen filteren op een manier die de zenuwuiteinden het beste in staat stelt ze te voelen.
De mechanoreceptoren die dit werk doen, worden Pacinische bloedlichaampjes genoemd. Ze zitten aan de uiteinden van zenuwen en zijn verantwoordelijk voor het voelen van druk en pijn. Deze apparaten kunnen trillingen over een groot deel van de huid waarnemen, maar zijn slechts gevoelig voor een beperkt aantal trillingen. In feite weten biologen al enige tijd dat Pacinische bloedlichaampjes het meest gevoelig zijn voor trillingen bij 250 Hz.
Dus hoe genereren vingers deze vriendelijke vibratie? Biologen hebben altijd aangenomen dat mensen de frequentie van trillingen in de huid kunnen regelen door de snelheid waarmee een vinger over een oppervlak beweegt te veranderen. Maar er is weinig bewijs dat mensen dit ook echt doen en de ontdekking van het Parijse team zou deze visie achterhaald moeten maken.
Debregeas en co hebben dit probleem onderzocht met behulp van een cybervinger die ze in hun lab hebben gebouwd, compleet met synthetische vingerafdrukken op dezelfde schaal als menselijke en een micro-elektromechanische sensor die kracht meet met een ruimtelijke resolutie van millimeters. Wat ze hebben gevonden is verbazingwekkend.
Ze zeggen dat vingerafdrukken resoneren op bepaalde frequenties en dus de neiging hebben om mechanische trillingen te filteren. Het blijkt dat hun resonantiefrequentie rond de 250 Hz ligt. Wat een verbazingwekkend toeval!
Dat betekent dat vingerafdrukken fungeren als signaalprocessors, die de mechanische trillingen conditioneren zodat de Pacinische bloedlichaampjes ze het beste kunnen interpreteren. Door dit optimalisatieproces kunnen we texturen waarnemen met een ruimtelijke resolutie die veel kleiner is dan de afstand tussen Pacinische bloedlichaampjes in de huid.
Dat zou niemand moeten verbazen die de afgelopen jaren de ontwikkelingen in de robotica heeft gevolgd. Er is een groeiend besef dat de verwerkingskracht van het zenuwstelsel, inclusief de hersenen, de hoeveelheid rekenwerk die nodig is om een levend lichaam op de weg te houden, simpelweg niet aankan.
In plaats daarvan wordt het steeds duidelijker dat de hersenen veel van dit werk aan het lichaam zelf uitbesteden: aan de gewrichten, gewrichtsbanden, spieren, huid enz. Als we begrijpen hoe deze materialen al deze verwerking doen, verandert de materiaalwetenschap in een tak van informatica. Het heeft zelfs een naam: morphological computing.
Dit werk van Debregeas et amis is een ander voorbeeld van morfologisch computergebruik en het zou interessant zijn om een behandeling van dit probleem te zien vanuit een informatietheoretisch oogpunt.
Dit werk aan vingerafdrukken zou belangrijke implicaties moeten hebben voor ons begrip van aanraking. Het moet ook helpen bij de ontwikkeling van betere prothesen en kan zelfs helpen om robots een beter eigen gevoel te geven.
Handige dingen dus, vingerafdrukken.
Referentie: arxiv.org/abs/0911.4885 : De rol van vingerafdrukken bij het coderen van tactiele informatie gesondeerd met een biomimetische sensor