Hmat patří k základním smyslům každého živočicha. My lidé se díky němu můžeme těšit z objetí, tepla a získat základní informace o poloze našeho těla, pohybu, struktuře věcí nebo bolesti. Některé druhy hmyzu pomocí hmatu i „slyší“. Handicapovaní, kteří přišli například o ruku, ztratili také spoustu informací z kožních receptorů. Nyní jim je podle webu Science News může nahradit bionická protéza s implantáty. Kromě toho vědci slibují využití haptické technologie i v situacích z běžného života.
Jeremy D. Brown si každé ráno dává avokádo. Napřed ho lehce stiskne v dlani, aby poznal zda už je zralé. Brown cítí hmotnost avokáda a vnímá jeho voskovitou slupku se všemi bouličkami a nerovnostmi. „Neumím si představit, že bych přišel o hmat a nemohl udělat něco tak snadného, jako odhadnout zralost avokáda,“ říká. Po snídani v práci studuje haptické vjemy jako mechanický inženýr.
„Pokaždé, když se něčeho dotkneme, aktivuje to tisíce nervových vláken a miliony neuronů v mozku, které nám zprostředkují hmatový vjem,“ říká neurovědec Sliman Bensmaia z Univerzity v Chicagu. Nervové receptory přijímají podněty o tlaku, tvaru, pohybu, struktuře, teplotě a mnoha dalších detailech. Když centrální nervový systém interpretuje jednotlivé počitky, změní je na vjemy, které pojmenováváme jako hladký, drsný, mokrý, suchý či pohyblivý…
Od teorie k praxi
Jestli je neurověda srdcem haptického výzkumu, pak jsou mechaničtí inženýři jako Brown, spolu s experty na matematiku a materiály, jeho rukama. Poznatky z výzkumu se snaží převést do praxe a tvoří nové technologie, které by měly velmi věrohodně simulovat hmatové vjemy. Aby vědci zjistili, jak naše nervová soustava odpovídá na stimul, studují interakci kůže s různými materiály. Hledají způsoby, jak poslat signály o hmatovém vjemu do mozku bez potřeby skutečného dotyku těla a předmětu.
Naše kůže je hmatových receptorů plná, nejvíc se jich sdružuje na bříškách prstů. Každý receptor má svou jasně danou práci. Některé nám umožňují cítit svoje tělo a jeho polohu, jiné bolest či teplotu. Vědci se nyní snaží simulovat počitky síly a pohybu, takže například tlak, klouzání nebo drbání. „Vždycky, když se dotýkáte objektu, vaše kůže se deformuje nebo lehce zmáčkne,“ vysvětluje Bensmaia.
Hmatových receptorů existuje několik druhů, ale Bensmaia se při výzkumu soustředí na Paciniho tělíska, která se skrývají hluboko pod kůží. Díky nim můžeme zkoumat textury. Při kontaktu pokožky s povrchem se tvoří jemné vlnění, které mozek přetaví do informace o povrchu, stejně jako vlnění vzduchu převádí na zvuk. Zaznamenat a nasimulovat různé struktury představuje pro vědce dosažitelný cíl. „Manšestr vyvolá jiné vibrace než organza. Měřit je můžeme všechny,“ říká Bensmaia.
Matematika hmatových receptorů
Paciniho tělíska rozhodně neodpoví na každý vzruch. K vyvolání reakce potřebují dost silnou akci. Aby tým zjistil, které interakce je doženou k aktivitě, sbírali vědci studie o tom, jak na dotek na různých částech těla reagovala zvířata. Objevili vzorec. Receptory většiny savců se aktivovaly, když byl poměr vlnové délky vibrace a hloubky receptoru dvě ku pěti. Při tomto a vyšších poměrech savci pocítí dotek, říká matematik James Andrews, který studii vedl.
Poměr závisí na tom, kolik kůže se při setkání s předmětem stlačí. Síla potřebná k promáčknutí stejného množství kůže u slona a u kočky se sice diametrálně liší, ale poměr vyjde stejně u obou. Jedinou výjimku představují hlodavci a jejich tenké tlapky, které jsou v poměru k vlnovým délkám hmatových vibrací velmi drobné, uvádí výsledek na pravou míru Andrews.
Studie rovněž odpověděla na otázku, jaké informace potřebujeme k realistickému zachycení hmatové zkušenosti, abychom mohli dotek převést do virtuální podoby a poslat po síti. Andrews slibuje, že výzkum jednou poskytne možnost, jak na vlastní kůži zažít virtuální realitu nebo třeba objetí na dálku.
„Ideálně, v dlouhodobém měřítku, při nakupování na Amazonu ucítíte látku,“ říká mechanička Cynthia Hipwellová z Texasu. Počítačový kód zvládne na obrazovce simulovat struktury a tvary pomocí elektrických výbojů, vibrací nebo ultrazvuku. Na displeji poznáte bavlnu od umělého polyesteru nebo si třeba pohladíte kotě. Hipwellová doufá, že její studie ohledně hmatového vnímání obrazovky chytrého telefonu může pomoci designérům vyvinout haptické dotykové displeje, které si budou moci pořídit i nevidomí nebo se nainstalují do aut, aby řidič mohl ladit rádio s pohledem upřeným na silnici.
Vyšetření přes rukavice
Zájem o telemedicínu vzrostl hlavně na začátku covidové pandemie kvůli obavám z nákazy. Vyšetření na dálku má mnoho limitů, protože lékaři těžko prostrčí ruku skrz kameru a prohmatají nemocnému bolavé břicho či nateklé končetiny. Telemedicína se hodí i v odlehlých oblastech typu australského vnitrozemí, odkud lidé musí na nejbližší polikliniku cestovat hodiny. Obyvatelé by si tam mohli pořídit zařízení pro vzdálený dotek buď domů nebo do lékárny či zaměstnání. Nejspíš to bude robot nebo senzorická rukavice, kterou se pacient vyšetří sám. Informace se přenesou do ordinace doktora, který si nasadí druhé rukavice a perfektně ucítí každý detail pacientova pohybu.
Výzkumníci už pracují na materiálu, který by dokázal přeložit digitálně kódovanou informaci o dotyku zpět do vjemu, který člověk, v tomto případě lékař, může uchopit. Stejné materiály by se pak mohly použít pro rozšíření virtuální reality.
Jednou z možností je náplast, kterou vyvinul fyzikální chemik John Rogers ze Severozápadní Univerzity v Evanstonu. Svůj vynález popsal v roce 2019 v časopisu Nature. Svrchní vrstva pružné náplasti se přilepí člověku na kůži. Zbytek předmětu obsahuje měkkou hmotu a drobné přístroje, které ji rozvibrují. Řídit a napájet je budou bezdrátové signály. Na různé části těla lze připevnit až šest současně běžících náplastí.
Je to síla
Inženýr Brown doufá, že podobné technologie pomohou lidem s ovládáním umělých končetin. Zdraví lidé instinktivně svírají prsty a ví, kolik síly mají použít. Když vezme svou dceru za ruce, dává si pozor, aby ji držel pevně, ale netiskl moc a neublížil jí. Lidem s protézou podobná jistota chybí a odhadování síly jim často působí potíže.
Pacientům lze v současnosti dát místo dlaně dva druhy pohyblivé umělé končetiny. Dlaně protézy ovládané ostatními svaly se otevírají a zatínají, když její uživatel pohne jinou částí těla, přičemž zatáhne za kabel připojený k umělé ruce. Díky zatínání svalů má člověk určitou představu, zda je ruka sevřená. Myoelektrické protézy se ovládají pomocí zbytků svalů v pahýlu. Tento typ umělé ruky je elektronický stroj bez jakéhokoli citu, ale oproti první variantě je pohyblivější.
Brownova skupina ve své studii testovala, jak by svaly ovládaná protéza mohla svému nositeli předat signál o síle. Nejprve nasadili dobrovolníkovi na loket exoskelet, který ho tlačil stejně silně, jak on zatínal své neexistující dlaně. Ve druhém případě nasadili na zápěstí přístroj, který vibroval tím víc, čím silněji ruka tlačila. Obě metody se ukázaly aspoň jako lepší než nic, přičemž ani jedna nepřekonala druhou. Výsledky Brown publikoval před dvěma lety v Journal od NeuroEngineering and Rehabilitation spolu s návrhem, jak zlepšit svalové ovládání elektronické protézy.
Bionická protéza s implantátem
Lidský mozek ale stále nedokáže zcela spojit všechny formy hmatové odpovědi. Bensmaiova skupina v Chicagu spolupracovala s kolegy ve Švédsku, kteří vestavěli hmatové senzory do bionických rukou. Signály ze senzoru v palci umělé ruky se přenášely do elektrody implantované blízko nervu v paži člověka. Tři dobrovolníci, kteří už dříve ruku ztratili, cítili hmatové vjemy z palce, ale připadalo jim, že na ně něco sahá v jiném místě na ruce.
Lékaři mohou vybrat, který nerv bude elektroda stimulovat, ale nevědí, jak moc umělá vlákna pod kůží ovlivní jeho přirozenou funkci, vysvětluje Bensmaia. I po roce používání bionické protézy se lidé stále pletli a neuměli určit, z kterého prstu přichází jaký počitek. Mozek se novému druhu vnímání nepřizpůsobil.
Navzdory tomu dobrovolníci s bionickou rukou dosáhli v preciznosti a při kontrole síly při uchopování předmětů lepších výsledků než lidé s rukou, která přímo nestimulovala nerv. Díky implantátu si dobrovolníci také chválili pocit propojení těla s umělou rukou.
Stejně jako s bionickou končetinou nebudou ani první pokusy o haptickou technologii nejspíš okamžitě dokonalé. Virtuální objetí nebo jakékoli simulované doteky se reálnému prožitku nejspíš nevyrovnají nikdy. Přesto vědci vidí v nové technologii značný potenciál.
