触觉显示借助外部刺激使人类通过肤觉感知类似视觉图文影像的信息,并可感知对象的色彩和纹理,是领域内的前沿和研究热点。电刺激是触觉显示中占据主导地位的技术方法和手段,与机械刺激、振动刺激、气动刺激、超声刺激和射流刺激等方式相比具有体积小、响应快、信息密度高且简单方便的优点,是感觉功能替代、康复治疗、智能假肢、远程操控、虚拟现实及游戏娱乐等领域最有前途的技术方法。电触觉生物学模型和适宜刺激实验研究是电刺激方法实现触觉显示功能的基础性问题,通过模型研究和实验分析等可以掌握触觉显示相关的生理特性和基础数据,从而为未来触觉显示器的设计开发提供设计依据和基本准则,对未来触觉显示器的研制与开发具有重要价值。论文研究内容主要包括以下几个方面:1)电触觉感知机理及影响因素分析。外部刺激作用下的触觉感知过程包括“感”、“传”、“知”三个相对独立又紧密关联的阶段。电触觉的知觉形成过程非常复杂,电刺激不仅在“感”的阶段作用于触觉感受器诱发神经冲动,还会直接作用于“传”阶段的传输神经纤维,使得跨膜电位差产生变化,从而诱发冲动刺激,两者相互叠加,最终在大脑中央C区形成触觉感知。论文探讨了影响电触感觉的可能因素,分析认为电刺激最终的触觉知觉不仅受刺激电流、电极特性和接触方式的影响,而且还会受到皮肤特性和心理倾向等个体因素的影响,另外,环境因素亦可能间接影响触感觉。论文研究了皮肤阻容效应,分析了稳态/非稳态接触条件下影响电触感觉的关键因素,为进一步的模型构建及实验研究提供了依据。2)非稳态条件下电触觉生物学模型研究。电触觉生物学模型包括皮肤模型、皮肤电极接触模型以及神经元传导模型。外部电流最终作用于触觉感受器及神经纤维的刺激响应关系与前两个模型的特性密切相关。非稳态接触条件下,外部输入的作用时间极短,模型机制极为复杂,输出呈现一定的不确定性。论文研究了非稳态接触方式下的皮肤电穿孔效应和电渗漏效应,发现电穿孔效应诱发的容性对超短时过程具有较大影响,在此基础上,构建了非稳态接触方式下的皮肤阻抗模型,分析认为超短时过程的电压电流特性主要与真皮的电阻和表皮的电容有关。另外,有报告指出阳极刺激可能引发感觉漂移,论文采用神经元传导模型对该现象进行了研究,分析发现漂移位移与刺激深度的平方呈正相关,且与电极间距(分离电极)/绝缘层厚度(同心电极)呈负相关。3)电触觉应用开发研究。为开展实验研究,论文研制了一种阵列式电触觉刺激装置。研制过程中,提出了一种电极阵列动态扫描显示方法,即通过高速开关实现多触点准实时触觉刺激,另外,论文还提出了一种电触觉数据结构和文件格式,实现了触觉数据的文件格式存储,在此基础上,进一步建立了视觉图像RGB与电触觉图像三要素的全像素映射模型,实现了数据的跨模态转换和可逆映射。4)电触觉感知阈限实验研究。针对非稳态条件下电刺激触觉体验较差的问题,论文采用1-up和1-down方法对电触觉的感知阈限进行了心理物理学实验研究。实验方案方面,设计了涵盖接触方式、刺激位置和电流频率等因素的36个实验场景,并合并考虑了区域环境、性别、年龄以及体脂密度等因素;被试招募方面,在我国中部、南部和北部等地区大量招募了相关因素总体上符合正态分布的实验被试;数据分析方面,论文采用统计学方法和ANOVA单因素/多因素方差分析方法,研究了上述因素对阈限的影响以及阈限的变化规律。实验表明,稳态/非稳态接触方式对感知阈限的影响显著(F(1,11)=9.76,P=0.01)。非稳态条件下,阈限与频率正相关,手心相比脸颊和手指具有更高的阈限值,此外,在中青年段,女性阈限低于男性,而在18-25和46-55岁,男女平均阈限则近乎一致。论文进一步讨论了皮肤阻抗特性和感受器选择特性对感知阈限的影响,分析认为,皮肤在交变的电流刺激作用下可能存在趋肤效应,并因此可能抬升高频刺激下的感知阈限,甚至导致电灼伤。5)非稳态电触觉的脑电EEG实验研究。心理物理学方法从心理感受性方面对电触觉刺激进行评价,具有一定主观性,其置信度依赖于大样本数据。为了对非稳态条件下的感知阈限进行客观评价,论文引入了脑电EEG技术(Electroencephalography)和ERP(Event Related Potential)方法。实验方面,论文主要研究了电触觉EEG实验的功率谱,及电触觉Oddball实验的P300成分,分析发现,非稳态接触方式下50%感受阈限诱发了对侧大脑中央C区Alpha节律的抑制(50%)、Beta节律以及Gamma节律的增强(>90%),该结果表明,电刺激可使得被试产生紧张或者焦虑情绪,从而导致功率谱从低频向高频迁移;另外,Oddball实验的小概率事件可诱发出明显的正跳变,但并未得到理想的P300成分,原因可能源于刺激与脑电的同步失衡问题,该问题有待进一步深入研究。