指纹调湿机制让手更“灵”

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  包括人类、猴子和类人猿在内的灵长类动物在手和脚上进化出了表皮脊线,并且这里的汗腺密度比身体其他地方高。这样可以让它们精确调节皮肤湿度,在操纵物体时提供更大的抓握力。

  英国伯明翰大学与韩国首尔国立大学和延世大学等研究机构的研究人员合作的一项新研究显示指纹的水分调节机制,不仅可以帮助人们更好地抓握物体,还能帮助科学家开发出更好的假肢、机器人设备和虚拟现实环境。相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

  指纹有助于增加与光滑表面接触时的摩擦力,增强对粗糙表面的抓握力和触觉的敏感性。指纹的水分调节机制则确保了皮肤角质层的最佳水合状态,从而最大限度地增加摩擦力。

  “灵长类动物在手和脚上进化出了表皮脊线,其中指纹脊线对于抓握和精确操作固态物体非常重要。它们可以调节外部来源或汗腺释放的水分,从而最大限度地增大摩擦力,避免‘灾难性’的打滑,让我们能够握住智能手机。”研究论文合著者、伯明翰大学产品工程与制造学教授Mike Adams说,了解手指指纹脊线摩擦的影响,有助于研究人员开发更逼真的触觉传感器。例如,应用于机器人和假肢的传感器,以及触摸屏和虚拟现实环境中的触觉反馈系统。

  超声波润滑通常用于提供感官“触觉”反馈的触摸屏显示器,但与潮湿的指纹脊线相比,当用户处于干燥环境时,超声波润滑的效果会降低。此外,通过触摸区分织物等精细结构的表面,要依赖于侧向振动诱导,因此滑动摩擦的缺失会阻碍识别实际接触到的东西。

  指纹是灵长类动物和考拉独有的,似乎具有双重作用,在促进多余水分蒸发的同时,在其底部提供一个水分储存库,以使抓握力最大化。

  研究人员发现,当手指与不透水的表面接触时,指纹脊线部毛孔中的汗液会使皮肤更柔软,从而显著增加摩擦力。而脊线汗液的顺应性增加最终会导致毛孔堵塞,防止释放出过多的水分从而降低抓握物体的能力。

  利用高科技激光成像技术,科学家发现,水分调节由两部分组成,即上述汗孔阻塞过程,以及由于接触物体时表皮脊线特定横截面形状变化导致的外部多余水分的加速蒸发。

  无论最初手指肚是湿的还是干的,上述两个过程使指纹脊线保持最佳湿度,从而使摩擦力最大化。

  “这种水分调节的双重机制为灵长类动物在干湿环境下提供了进化上的优势,赋予它们操控和移动物体的能力,而其他动物,如熊和大型猫科动物并不具备上述机制和能力。”Adams补充说。(徐锐)

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1073/pnas.2001055117

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