化学触觉：我们能在虚拟世界感受真实触感吗？

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019），作者：水水

近两年，元宇宙概念大火，似乎这是能改变人类未来的东西。无论商业前景如何，一些研究人员确实在致力于让虚拟现实和数字人生结合。这其中就有一个问题：在虚拟世界能体验到现实一样冷热酸甜的感觉吗？化学触觉，或许可以告诉我们答案。

警报突然响起，他快速离开现场，刚走到出口时却突然发生爆炸，火星溅落到他身上，令他感到阵阵刺痛。来到外面，天空中飘着雪花，寒意袭来，他发现原来是旁边核反应室里发出的警报。他前往探查，却发现手臂麻痹无力，好不容易打开房门，只见房间内热浪滚滚，他周身被一股灼烧的窒息感包围……

但是，当他摘下 VR 头盔，一切都终止了。

这是一次模拟体验。那些知觉上的变化，无论是冷和热，还是手脚的麻木和舒展，没有一样真正来自他身处的环境。他感受到的，是几种化学物质通过一个可穿戴设备接触到皮肤之后所产生的：手臂麻木僵硬，是因为利卡多因接触到了皮肤；扑面而来的热浪，是因为辣椒素被释放到面部；刺痛的感觉来自山椒醇，而最后那种冰凉的感觉则是薄荷醇的作用。

这个神乎其神的可穿戴设备，利用的是一种叫作"化学触觉"（chemical haptics）的技术。事实上，化学物质一直被用来理解触觉机制。20 世纪 90 年代，关于薄荷醇和辣椒素的研究，帮助我们明确了身体在遇到冷热刺激后会如何做出反应。现在，芝加哥大学的 Jasmine Lu 和她的同事正在应用这方面的知识，来制造一种由化学物质诱导产生的"触觉"。

触觉，不止接触

Haptics 这个词，直接翻译过来就是"触觉"，它可以指代与接触、触感有关的任何含义，不过现在更多的是用作触觉技术的简称。触觉技术能在无须直接接触的情形下产生触感。它并不是一个新鲜词，应用了触觉技术的设备在日常生活中随处可见。比如：iPhone 7 上的 home 键并不是一个实体按键，它不能被按下，而是通过感知振动"假装"被按了下去 -- 这或许是触觉技术在我们身边最常见的应用。

触觉技术的应用远不止一个小小的手机按键。触觉设备可以帮助中风患者重新获得手臂的知觉，它还可以为医学生的心肺复苏训练提供逼真的触觉反馈。2019 年，香港研究人员开发了一种虚拟皮肤，可以"拥抱"世界各地的亲人。

这类设备的局限，在于它们大多通过力或振动来实现功能，因此它们只能使用触觉机制的一种形式 -- 压力，而我们的皮肤能感知到的远远不止压力这一个因素。比如，你摸到一块冰块和一块烙铁（假如能下得去狠手的话），很显然，这两个物体带给你的感觉是不同的，这说明在压力之外，你的皮肤还感觉到了其他类型的刺激。触觉是由皮肤中各种各样的感受器共同作用产生的，皮肤有温度感受器来感知冷热，有机械感受器来感知振动、压力，有伤害性感受器来感知疼痛。那么，如果能把这些感觉全部模拟出来并且集成到同一个设备里，就可以复制一种极度逼真的触觉。

化学触觉技术的用意，就是用化学物质把这些冷、热、振动、压力等感觉"一揽子"模拟出来。这个方案是可行的。与 Jasmine Lu 同在一个研究团队的 Jas Brooks 早先曾经设计过一个 VR 头盔，它能将薄荷醇、辣椒素等化学物质释放到鼻腔的三叉神经处，然后三叉神经就能将冷热的感觉（也就是温度信息）传达给大脑。而且，使用者不仅仅是因为闻到了薄荷醇或者辣椒素的气味而联想到了冷和热，他们之所以有冷热的感觉，还因为三叉神经在明明白白地"告诉"大脑：现在环境的温度就是变了。

通过给使用者皮肤上给予化学物质刺激，让他们感受到不同形式的"触觉"，目前可以实现刺痛、麻木、清凉、温暖的感觉。图片来源：参考资料 [2]

但说实话用这个设备实在是找虐，让辣椒素直接泵入鼻腔，热的感觉倒是传达得很准确，那辣到直通天灵盖的感觉想想就够了。很显然，这个设备虽然有效，却不太会有人愿意用它。所以，Jasmine Lu 想要寻找一种能绕过鼻子、直接通过皮肤产生触觉的途径。那么，化学物质如何作用于皮肤产生种种感觉呢？巧了，已经有人完美解答了这个问题。

辣椒素和薄荷醇给出的启示

上世纪 90 年代初，加利福尼亚大学的戴维・朱利乌斯（David Julius）想要寻找一种替代阿片类的止痛药。但是首先，他需要从分子生物学上了解人体是如何感知到疼痛的，以及触觉的信号通道是如何被强化的。

他和同事创建了一个由几百万个 DNA 片段组成的资源库，每一个片段都与神经元中能对疼痛、热和触感做出反应的基因相对应。既然辣椒素能让皮肤产生火辣辣的灼热感，那么细胞上就一定有能响应辣椒素的受体，且这些 DNA 片段中必然存在能编码这种受体蛋白的基因。经过了很长一段时间的研究后，在 1997 年，他们终于识别出了一个叫作 TRPV1 的受体。TRPV1 位于伤害性感受神经元的细胞膜上，当受到辣椒素的刺激时，TRPV1 会打开离子通道做出响应。有意思的是，TRPV1 同样会被热刺激激活，当遇到 43℃以上的高温时，TRPV1 会释放一模一样的电信号并传达给大脑 -- 所以"辣"和"热"带给我们的感受是很相似的。

这个结论可以解释很多关于辣的现象。我们常常把"酸甜苦辣"并提，但其实仔细一想就知道，辣和其他三味明显不同。举个例子，如果你用刚刚切过辣椒的手揉了眼睛，你的眼睛也会感到火辣辣的，而如果用刚刚摸过蛋糕的手去揉眼睛，眼睛并不会感到甜。还有，冬天吃火锅的时候，你的嘴巴里感到辣，同时身上也感到越来越暖和。这些例证都在提示我们，辣和热有着异曲同工的关联，辣并不是一种味觉，它本质上是一种"热觉"。

David Julius 等人继续用了多年时间，详细研究了由感受器、神经元、受体和离子通道组成的复杂体系，我们那些层出不穷又妙不可言的触觉感受就来自于它们的共同作用。这项研究中的另一位核心人物阿登・帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），以薄荷醇为研究对象发现了皮肤产生"冷觉"的机制，随后又发现了皮肤上的压力感受器。这些工作让人们逐渐理解了何为触觉。2021 年，David Julius 和 Ardem Patapoutian 因为发现了温度和触觉感受器而获得诺贝尔生理学和医学奖。

他们的工作也给了 Jasmine Lu 很大的启发，她因此重新制定了实验方案。她不再通过创造热环境、施加力或振动来实现触觉技术，而是试图使用化学物质直接刺激皮肤，并触发皮肤中的受体来模拟与触觉相关的种种感觉。

第三种"化学感觉"

我们能感觉到来自化学物质的刺激，是因为细胞上的受体能与化学分子相互作用，然后做出响应并将信号传递给大脑。在大多数人的固有认知里，这个过程主要体现为嗅觉和味觉。不过，如果你的想法只停留在这儿，显然就低估了受体。

嗅觉的受体在鼻腔，味觉的受体在舌头上，其实你能想象即使没有鼻子和舌头，也还会有第三种"化学感觉"存在。比如，涂上风油精，你会感到凉丝丝的，这就是薄荷脑的作用，而且这种作用完全没有经过鼻子和舌头。又如，你咀嚼花椒的时候，不仅口腔里麻麻辣辣的，嘴唇也会有针刺似的感觉，这是因为花椒中有一种关键成分叫作山椒醇，它会与嘴唇皮肤上的痛觉感受器和机械感受器（特别是感知振动的感受器）发生作用，就好像有个振动小马达放在嘴唇上似的，所以你会感到有一种刺痛感。可见，响应化学刺激的受体不仅存在于鼻子和舌头，化学物质引发的感觉也不局限于嗅觉和味觉。

那么，该怎样定义、命名、描述这第三种"化学感觉"呢？

1912 年，美国动物学家 George H. Parker 提出了"共同化学感觉"的概念，用来描述动物身上（尤其是皮肤）的化学感受性，Parker 通过动物实验，认为这是广泛存在于神经系统的性质，而非味觉和嗅觉神经的特性。20 世纪 50 年代的研究表明，这种"共同化学感觉"至少部分是由疼痛感受器的受体介导的，"共同化学感觉"实际上是一种特殊的痛觉。前面提到的关于辣椒素和薄荷醇的研究，也让人们意识到"共同化学感觉"和温度感觉可能是同一回事。到了 20 世纪 90 年代，才有人提出用"化学物理觉"（chemesthesis）这个概念替代"共同化学感觉"，来描述这第三种化学感觉。按照定义，化学物理觉是一类具有痛觉、温度感觉和触觉复合感觉特性的体觉。

不难发现，化学物理觉和化学触觉在涵义上存在一定的重叠。但甭管它叫什么名头，你其实早就是这个概念的"消费用户"了。你买的药膏，有些会使用高浓度的冬青油（内含薄荷成分）在皮肤上制造一个吸热反应，起到缓解疼痛的效果；你使用的皮肤护理产品，有的会使用辣椒素来促进血液循环；你每天都会用到的牙膏，清新感觉大多来自薄荷醇。

有前景，亦有局限

现在，Jasmine Lu 的团队把这种化学触觉技术应用到了 VR 方面。他们创建了一种可穿戴设备，将化学物质储存在可穿戴设备里，并通过微型泵推动着流经对皮肤开放的通道，让皮肤在试剂通过时接触到甚至吸收它们，进而产生种种感觉：山椒醇被用于制造刺痛的感觉，辣椒素可以模拟热，薄荷醇用来制造寒冷的感觉，肉桂醛被用来引发瘙痒感，而一种常见的麻药利多卡因可以让皮肤麻木僵硬。因此，它可以协助创造一个逼真的虚拟世界。这对于畅游游戏世界的玩家来说，无疑是一个令人激动的消息。但是，我们能完全用这种体验替代真实的触觉吗？如果不能，这两种"触觉"的差别在哪里呢？

在 2021 年的用户界面软件与技术大会（User Interface Software and Technology conference）上，他们发布了一则视频，视频中是一个虚拟现实场景，一个人佩戴着他们设计的可穿戴设备，正在"经历"一次惊险刺激的核事故 -- 也就是本文开头的那个场景。

不过，并不是所有人都对这一技术感到兴奋，甚至，并不是所有人都认同它的意义。至少在有些领域的从业者看来，触摸是具有社会学意义的一种行为，它不单单是一个动作，有时还象征着情感连接，是不能简单粗暴地用冷、热、疼、麻来概括和取代的 -- 比如，撸猫时手指抚过猫咪毛发的那种感觉，温柔又舒缓，十分解压，就很难凭几种化学物质复制得出来。

这些质疑的声音也揭示了这一技术的局限性。为什么撸猫如此解压？答案就在介导这一类触觉的神经纤维上。不同于感知冷或热、痛或痒的那种触觉（被称为辨别性触觉，discriminative touch），撸猫时的触觉是一种情感性触觉（affective touch），它由一种特殊的神经纤维 --CT 纤维主导。CT 纤维只对缓慢的、轻柔的触摸有响应，例如每秒移动 5 厘米左右的触摸刺激。撸猫时的触摸就是这种类型的刺激，按摩时最让我们舒服的频率差不多也是如此。顾名思义，之所以叫作"情感性"触觉，是因为它能与人们的心理作用和情绪体验产生联系。Jasmine Lu 的化学触觉系统能够模拟出来的都是辨别性触觉，对于情感性触觉是无能为力的。这确实是化学触觉技术的局限，它从原理上就无法真正地、全方位地模拟触觉。即便如此，它的前景依然令人期待。

其实，很多人对这一技术存在误解。化学触觉技术本来就不是要取代真正的触摸，就好像 VR 做得再逼真，也没有人会认为可以在 VR 里过日子一样。化学触觉设备真正的应用场景在于它可以提升数字世界中的体验，能让我们在虚拟情境中去做、去体验我们日常生活中做不了的事情 -- 比如替代消防员的部分训练，因为它可以模拟火海中的一些感觉，却不用真的置身火海。

或者我们可以说，Jasmine Lu 团队开发的这种化学触觉技术，是与 VR 领域的发展相互成就的。事实上，人们在虚拟现实中的体验已经足够逼真，也正因如此，"元宇宙"才会成为当下最火热的概念之一，但是，我们要想达到媲美真实世界的感觉，可能还需要在视觉和听觉以外，模拟出更丰富更多样的感觉 -- 确切地说，是一种完整又全面的，包含了冷、热、痛、麻等"辨别性触觉"和令人舒服的"情感性触觉"。

参考资料

• [1] Artificial touch: The new tech making virtual reality more immersive. New Scientist. Issue 3378.

• [2] https://doi.org/10.1145/3472749.3474747

• [3] https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/press-medicineprize2021.pdf

出品：科普中国