通过触摸区分表面化学

一项新的研究表明，人类可以区分两个相同的表面，但只有一个原子取代——一个表面涂有烷基硅烷，另一个表面涂有氨基硅烷。

manbetx手机客户端3.0报道几年前，人们可以检测到疏水单层和亲水等离子体氧化表面之间的表面能的差异。现在,查尔斯Dhong和他在美国特拉华大学的团队决定进一步了解人类能感知到的表面化学变化。为了做到这一点，他们制造了由硅烷单层组成的表面，然后对单层链做了轻微的改变，比如用碳原子代替氮原子，改变链长。他们创造了如此光滑的表面，以至于人类无法感知它们之间粗糙度的细微变化，这意味着是表面化学物质使他们能够区分不同的表面。参与测试的人被要求从三个样本中挑出一个。测试对象可以区分含有四个碳原子烷基链的硅烷表面和含有最后一个碳被胺基取代的硅烷表面。

受试者不能直接感受到化学物质的差异，因为手指上的机械感受器对化学物质不敏感，就像嗅觉和味觉感受器一样。然而，化学上的差异确实导致了摩擦的差异，这是人类可以察觉到的。Dhong的团队说，触觉对比的机制可能源于单层排列的不同。研究人员使用了赫斯特指数，在这种情况下，赫斯特指数被用来衡量硅烷单分子层的有序或无序程度，以预测哪些表面可以被区分。由于氢键的作用，具有胺基团的表面更加有序，而这种有序的增加减少了摩擦。

测试对象还可以区分覆盖着5个碳长碳链和8个碳长碳链的表面，因为较长的碳链由于相变而更加有序。使用无序和有序来预测人类的表现比使用表面能量更可靠，科学家甚至发现两个表面能量几乎相同的表面可以被区分开来。

然而，需要注意的是:单原子取代变化的样品并不总是可识别的。用胺基代替长链上的碳基不足以让人类区分不同的表面。这种替换并没有引起顺序的变化，因此摩擦力的变化不足以被探测到。

研究小组还用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作了一个机械手指模型，该模型被处理成与人类皮肤具有相似的亲水性，以预测哪些表面能被真正的人类手指区分开来。在PDMS手指内部是一块丙烯酸骨，它提供了刚性，并模仿了人类手指的远端指骨。当模拟手指在每个表面滑动时，科学家测量了摩擦力作为速度和力的函数。通过比较不同表面的摩擦力，可以预测人们区分它们的难易程度。在一种力和速度组合下被预测为可微的曲面，在另一种力-速度组合下可能不可微。

卡拉Nunez美国斯坦福大学的人类触觉感知专家说:“这是令人兴奋的初步工作，因为它证明了人类触觉在化学方面的敏锐度，并将表面的化学成分作为一个额外的自由度，研究人员和工程师可以操纵来设计触觉界面。”

努涅斯补充说:“触觉学研究人员主要关注触觉的物理成分，比如机械变形，而这项工作探索了原子水平上的化学变化如何在我们识别和感知与物体的相互作用中发挥作用。”

Dhong的团队表示，他们的工作可以帮助研究人员发现触觉研究的新材料，并产生更好的触觉工具。微调表面化学可能是一种简单的方法，可以为虚拟现实用户提供新的触觉体验，并在医疗培训中使用手术假人。