Отпечатки пальцев увеличивают чувствительность кожи в сто раз

Паукообразные обезьяны виртуозно используют свой длинный хвост не только для лазанья по деревьям, но и для исследования окружающего мира. Возможно, именно по этой причине на кончике хвоста сформировалось подобие папиллярных линий, увеличивающих чувствительность кожи. Фото с сайтов www.flickr.com/photos/nebarnix и cabinet-of-wonders.blogspot.com

Почему у человека есть отпечатки пальцев? До сих пор на этот детский вопрос отвечали предположительно, исходя из общего здравого смысла. Считалось, что папиллярные линии улучшают чувствительность пальцев или что они, увеличивая трение, помогают пальцам удерживать предметы. Французские ученые смогли ответить на этот вопрос, опираясь на факты, а не логику. Их исследование показало, что отпечатки пальцев увеличивают чувствительность кожи в сто раз. Регулярные линии отпечатков работают как частотный фильтр, в результате тактильным рецепторам передается сигнал в оптимальном диапазоне восприятия.

У человека тактильное восприятие идет по двум каналам. По первому каналу передается информация о грубозернистой текстуре, с размером неровностей от 200 микрометров (0,2 мм). Эту информацию воспринимают медленно адаптирующиеся механорецепторы. Они оценивают давление и размер области контакта пальцев и исследуемой поверхности. Другие рецепторы — быстро адаптирующиеся — ощущают тонкую текстуру. Они реагируют на скорость смещения неровности относительно определенной точки кожи. Наиболее восприимчивыми рецепторами этого типа являются так называемые тельца Пачини (Pacinian corpuscles), названные по имени открывшего их итальянского анатома Филиппо Пачини (Filippo Pacini); иногда их еще называют тельца Фатера–Пачини. Их чувствительность настолько высока, что они могут ощутить сдвиг пальца на 0,0025 мм. Тельца Пачини реагируют на возникающую в коже вибрацию; оптимальная для восприятия частота составляет около 250 Гц, а область воспринимаемых частот невысока. Специалисты по биомеханике из Высшей нормальной школы в Париже задались вопросом: как же широкий размах частот кожной вибрации воспринимается тельцами Пачини, настроенными на узкий частотный диапазон?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые построили модель кончика пальца — сенсор шириной 0,5 мм со специальным резиноподобным покрытием, воспринимающий, как и тельца Пачини, изменение давления. Механические характеристики сенсорного покрытия были идентичны свойствам человеческой кожи на кончиках пальцев. Один вариант «кожи» был гладким, а другой — покрыт папиллярными линиями, повторяющими структуру и частоту линий на пальцах. Теперь осталось только провести эксперименты с двумя вариантами кожи и сравнить, насколько линии влияют на восприятие сенсора. В эксперименте сенсор был жестко закреплен на станине. По поверхности искусственной кожи двигался кусочек стекла с вытравленными неупорядоченными тонкими штрихами. Скорость движения и давление на «кожу» были примерно такими же, как при исследовании текстуры пальцами.

A — экспериментальная установка: 1 — сенсор, 2 — неподвижное основание (станина), 3 — покрытие из резиноподобного материала толщиной не более 2 мм, 4–5 — система их двух кантилеверов, 6–7 — емкостные позиционные сенсоры (capacitive position sensors), 8 — стекло с нанесенными на него случайно расположенными штрихами (9). B — смоделированные отпечатки пальцев. C — человеческие отпечатки пальцев в месте контакта пальца и поверхности (длина масштабной линейки 2 мм). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Оказалось, что кожа с отпечатками воспринимает штрихи на стекле гораздо лучше, чем кожа без отпечатков. Регулярно расположенные папиллярные линии работают как частотный фильтр. Если гладкий сенсор воспринимал изменение давления на расстоянии около миллиметра, то сенсор с отпечатками чувствовал изменение давления в диапазоне расстояния между папиллярными линиями. А это означает увеличение чувствительности примерно на два порядка. В результате работы такого папиллярного фильтра тактильным рецепторам — тельцам Пачини — передается сигнал в оптимальном диапазоне восприятия. Принцип частотных фильтров используется не только при тактильной рецепции, но и в распознавании зрительных образов, так что, возможно, это общий принцип настройки сенсорных систем.

Вся сенсорная система с отпечатками пальцев должна работать эффективнее, когда объект восприятия (в данном случае — неровности на гладком стекле) скользит перпендикулярно папиллярным линиям. Вполне вероятно, что линии на пальцах у человека неспроста оформлены в виде петель. В каком бы направлении ни двигались пальцы, какая-то часть линий обязательно будет расположена перпендикулярно движению. У макак отпечатки пальцев тоже имеются, но они вытянуты вдоль оси пальца. Этот факт можно толковать двояко. С одной стороны, петли могут рассматриваться как человеческое ноу-хау для совершенствования тактильной рецепции, а с другой стороны, это может говорить о том, что у макак другой способ ощупывания предметов.

Источник: J. Scheibert, S. Leurent, A. Prevost, G. Debrégeas. The Role of Fingerprints in the Coding of Tactile Information Probed with a Biomimetic Sensor // Science. 13 March 2009. V. 323. P. 1503–1506. DOI: 10.1126/science.1166467.

Елена Наймарк

Последние новости: Бионика, Нейробиология, Елена Наймарк