近兩年，元宇宙概念大火，似乎這是能改變人類未來的東西。無論商業前景如何，一些研究人員確實在致力於讓虛擬現實和數字人生結合。這其中就有一個問題：在虛擬世界能體驗到現實一樣冷熱酸甜的感覺嗎？化學觸覺，或許可以告訴我們答案。
撰文 | 水水
警報突然響起，他快速離開現場，剛走到出口時卻突然發生爆炸，火星濺落到他身上，令他感到陣陣刺痛。來到外面，天空中飄著雪花，寒意襲來，他發現原來是旁邊核反應室裡發出的警報。他前往探查，卻發現手臂麻痺無力，好不容易開啟房門，只見房間內熱浪滾滾，他周身被一股灼燒的窒息感包圍……
但是，當他摘下VR頭盔，一切都終止了。
這是一次模擬體驗。那些知覺上的變化，無論是冷和熱，還是手腳的麻木和舒展，沒有一樣真正來自他身處的環境。他感受到的，是幾種化學物質透過一個可穿戴裝置接觸到面板之後所產生的：手臂麻木僵硬，是因為利卡多因接觸到了面板；撲面而來的熱浪，是因為辣椒素被釋放到面部；刺痛的感覺來自山椒醇，而最後那種冰涼的感覺則是薄荷醇的作用。
這個神乎其神的可穿戴裝置，利用的是一種叫作“化學觸覺”（chemical haptics）的技術。事實上，化學物質一直被用來理解觸覺機制。20世紀90年代，關於薄荷醇和辣椒素的研究，幫助我們明確了身體在遇到冷熱刺激後會如何做出反應。現在，芝加哥大學的Jasmine Lu和她的同事正在應用這方面的知識，來製造一種由化學物質誘導產生的“觸覺”。
利用可穿戴裝置，在VR中體驗真實的“觸覺” 圖片來源：Chemical Haptics： Rendering Haptic Sensations via Topical Stimulants， YouTube
觸覺，不止接觸
Haptics這個詞，直接翻譯過來就是“觸覺”，它可以指代與接觸、觸感有關的任何含義，不過現在更多的是用作觸覺技術的簡稱。觸覺技術能在無須直接接觸的情形下產生觸感。它並不是一個新鮮詞，應用了觸覺技術的裝置在日常生活中隨處可見。比如：iphone 13上的home鍵並不是一個實體按鍵，它不能被按下，而是透過感知振動“假裝”被按了下去——這或許是觸覺技術在我們身邊最常見的應用。
觸覺技術的應用遠不止一個小小的手機按鍵。觸覺裝置可以幫助中風患者重新獲得手臂的知覺，它還可以為醫學生的心肺復甦訓練提供逼真的觸覺反饋。2019年，香港研究人員開發了一種虛擬面板，可以“擁抱”世界各地的親人。
這類裝置的侷限，在於它們大多透過力或振動來實現功能，因此它們只能使用觸覺機制的一種形式——壓力，而我們的面板能感知到的遠遠不止壓力這一個因素。比如，你摸到一塊冰塊和一塊烙鐵（假如能下得去狠手的話），很顯然，這兩個物體帶給你的感覺是不同的，這說明在壓力之外，你的面板還感覺到了其他型別的刺激。觸覺是由面板中各種各樣的感受器共同作用產生的，面板有溫度感受器來感知冷熱，有機械感受器來感知振動、壓力，有傷害性感受器來感知疼痛。那麼，如果能把這些感覺全部模擬出來並且整合到同一個裝置裡，就可以複製一種極度逼真的觸覺。
化學觸覺技術的用意，就是用化學物質把這些冷、熱、振動、壓力等感覺“一攬子”模擬出來。這個方案是可行的。與Jasmine Lu同在一個研究團隊的Jas Brooks早先曾經設計過一個VR頭盔，它能將薄荷醇、辣椒素等化學物質釋放到鼻腔的三叉神經處，然後三叉神經就能將冷熱的感覺（也就是溫度資訊）傳達給大腦。而且，使用者不僅僅是因為聞到了薄荷醇或者辣椒素的氣味而聯想到了冷和熱，他們之所以有冷熱的感覺，還因為三叉神經在明明白白地“告訴”大腦：現在環境的溫度就是變了。
透過給使用者面板上給予化學物質刺激，讓他們感受到不同形式的“觸覺”，目前可以實現刺痛、麻木、清涼、溫暖的感覺。圖片來源：參考資料［2］
但說實話用這個裝置實在是找虐，讓辣椒素直接泵入鼻腔，熱的感覺倒是傳達得很準確，那辣到直通天靈蓋的感覺想想就夠了。很顯然，這個裝置雖然有效，卻不太會有人願意用它。所以，Jasmine Lu想要尋找一種能繞過鼻子、直接透過面板產生觸覺的途徑。那麼，化學物質如何作用於面板產生種種感覺呢？巧了，已經有人完美解答了這個問題。
辣椒素和薄荷醇給出的啟示
上世紀90年代初，加利福尼亞大學的戴維·朱利烏斯（David Julius）想要尋找一種替代阿片類的止痛藥。但是首先，他需要從分子生物學上了解人體是如何感知到疼痛的，以及觸覺的訊號通道是如何被強化的。
他和同事建立了一個由幾百萬個DNA片段組成的資源庫，每一個片段都與神經元中能對疼痛、熱和觸感做出反應的基因相對應。既然辣椒素能讓面板產生火辣辣的灼熱感，那麼細胞上就一定有能響應辣椒素的受體，且這些DNA片段中必然存在能編碼這種受體蛋白的基因。經過了很長一段時間的研究後，在1997年，他們終於識別出了一個叫作TRPV1的受體。TRPV1位於傷害性感受神經元的細胞膜上，當受到辣椒素的刺激時，TRPV1會開啟離子通道做出響應。有意思的是，TRPV1同樣會被熱刺激啟用，當遇到43℃以上的高溫時，TRPV1會釋放一模一樣的電訊號並傳達給大腦——所以“辣”和“熱”帶給我們的感受是很相似的。
這個結論可以解釋很多關於辣的現象。我們常常把“酸甜苦辣”並提，但其實仔細一想就知道，辣和其他三味明顯不同。舉個例子，如果你用剛剛切過辣椒的手揉了眼睛，你的眼睛也會感到火辣辣的，而如果用剛剛摸過蛋糕的手去揉眼睛，眼睛並不會感到甜。還有，冬天吃火鍋的時候，你的嘴巴里感到辣，同時身上也感到越來越暖和。這些例證都在提示我們，辣和熱有著異曲同工的關聯，辣並不是一種味覺，它本質上是一種“熱覺”。
David Julius等人繼續用了多年時間，詳細研究了由感受器、神經元、受體和離子通道組成的複雜體系，我們那些層出不窮又妙不可言的觸覺感受就來自於它們的共同作用。這項研究中的另一位核心人物阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），以薄荷醇為研究物件發現了面板產生“冷覺”的機制，隨後又發現了面板上的壓力感受器。這些工作讓人們逐漸理解了何為觸覺。2021年，David Julius和Ardem Patapoutian因為發現了溫度和觸覺感受器而獲得諾貝爾生理學和醫學獎。
他們的工作也給了Jasmine Lu很大的啟發，她因此重新制定了實驗方案。她不再透過創造熱環境、施加力或振動來實現觸覺技術，而是試圖使用化學物質直接刺激面板，並觸發面板中的受體來模擬與觸覺相關的種種感覺。
2021年諾貝爾生理學或醫學獎得主戴維·朱利烏斯（左）和阿登·帕塔普蒂安 圖片來源：Twitter@ardemp
第三種“化學感覺”
我們能感覺到來自化學物質的刺激，是因為細胞上的受體能與化學分子相互作用，然後做出響應並將訊號傳遞給大腦。在大多數人的固有認知裡，這個過程主要體現為嗅覺和味覺。不過，如果你的想法只停留在這兒，顯然就低估了受體。
嗅覺的受體在鼻腔，味覺的受體在舌頭上，其實你能想象即使沒有鼻子和舌頭，也還會有第三種“化學感覺”存在。比如，塗上風油精，你會感到涼絲絲的，這就是薄荷腦的作用，而且這種作用完全沒有經過鼻子和舌頭。又如，你咀嚼花椒的時候，不僅口腔裡麻麻辣辣的，嘴唇也會有針刺似的感覺，這是因為花椒中有一種關鍵成分叫作山椒醇，它會與嘴唇面板上的痛覺感受器和機械感受器（特別是感知振動的感受器）發生作用，就好像有個振動小馬達放在嘴唇上似的，所以你會感到有一種刺痛感。可見，響應化學刺激的受體不僅存在於鼻子和舌頭，化學物質引發的感覺也不侷限於嗅覺和味覺。
那麼，該怎樣定義、命名、描述這第三種“化學感覺”呢？
1912年，美國動物學家George H。 Parker提出了“共同化學感覺”的概念，用來描述動物身上（尤其是面板）的化學感受性，Parker透過動物實驗，認為這是廣泛存在於神經系統的性質，而非味覺和嗅覺神經的特性。20世紀50年代的研究表明，這種“共同化學感覺”至少部分是由疼痛感受器的受體介導的，“共同化學感覺”實際上是一種特殊的痛覺。前面提到的關於辣椒素和薄荷醇的研究，也讓人們意識到“共同化學感覺”和溫度感覺可能是同一回事。到了20世紀90年代，才有人提出用“化學物理覺”（chemesthesis）這個概念替代“共同化學感覺”，來描述這第三種化學感覺。按照定義，化學物理覺是一類具有痛覺、溫度感覺和觸覺複合感覺特性的體覺。
不難發現，化學物理覺和化學觸覺在涵義上存在一定的重疊。但甭管它叫什麼名頭，你其實早就是這個概念的“消費使用者”了。你買的藥膏，有些會使用高濃度的冬青油（內含薄荷成分）在面板上製造一個吸熱反應，起到緩解疼痛的效果；你使用的面板護理產品，有的會使用辣椒素來促進血液迴圈；你每天都會用到的牙膏，清新感覺大多來自薄荷醇。
有前景，亦有侷限
現在，Jasmine Lu的團隊把這種化學觸覺技術應用到了VR方面。他們建立了一種可穿戴裝置，將化學物質儲存在可穿戴裝置裡，並透過微型泵推動著流經對面板開放的通道，讓面板在試劑透過時接觸到甚至吸收它們，進而產生種種感覺：山椒醇被用於製造刺痛的感覺，辣椒素可以模擬熱，薄荷醇用來製造寒冷的感覺，肉桂醛被用來引發瘙癢感，而一種常見的麻藥利多卡因可以讓面板麻木僵硬。因此，它可以協助創造一個逼真的虛擬世界。這對於暢遊遊戲世界的玩家來說，無疑是一個令人激動的訊息。但是，我們能完全用這種體驗替代真實的觸覺嗎？如果不能，這兩種“觸覺”的差別在哪裡呢？
在2021年的使用者介面軟體與技術大會（User Interface Software and Technology conference）上，他們釋出了一則影片，影片中是一個虛擬現實場景，一個人佩戴著他們設計的可穿戴裝置，正在“經歷”一次驚險刺激的核事故——也就是本文開頭的那個場景。
不過，並不是所有人都對這一技術感到興奮，甚至，並不是所有人都認同它的意義。至少在有些領域的從業者看來，觸控是具有社會學意義的一種行為，它不單單是一個動作，有時還象徵著情感連線，是不能簡單粗暴地用冷、熱、疼、麻來概括和取代的——比如，擼貓時手指撫過貓咪毛髮的那種感覺，溫柔又舒緩，十分解壓，就很難憑几種化學物質複製得出來。
這些質疑的聲音也揭示了這一技術的侷限性。為什麼擼貓如此解壓？答案就在介導這一類觸覺的神經纖維上。不同於感知冷或熱、痛或癢的那種觸覺（被稱為辨別性觸覺，discriminative touch），擼貓時的觸覺是一種情感性觸覺（affective touch），它由一種特殊的神經纖維——CT纖維主導。CT纖維只對緩慢的、輕柔的觸控有響應，例如每秒移動5釐米左右的觸控刺激。擼貓時的觸控就是這種型別的刺激，按摩時最讓我們舒服的頻率差不多也是如此。顧名思義，之所以叫作“情感性”觸覺，是因為它能與人們的心理作用和情緒體驗產生聯絡。Jasmine Lu的化學觸覺系統能夠模擬出來的都是辨別性觸覺，對於情感性觸覺是無能為力的。這確實是化學觸覺技術的侷限，它從原理上就無法真正地、全方位地模擬觸覺。即便如此，它的前景依然令人期待。
其實，很多人對這一技術存在誤解。化學觸覺技術本來就不是要取代真正的觸控，就好像VR做得再逼真，也沒有人會認為可以在VR裡過日子一樣。化學觸覺裝置真正的應用場景在於它可以提升數字世界中的體驗，能讓我們在虛擬情境中去做、去體驗我們日常生活中做不了的事情——比如替代消防員的部分訓練，因為它可以模擬火海中的一些感覺，卻不用真的置身火海。
或者我們可以說，Jasmine Lu團隊開發的這種化學觸覺技術，是與VR領域的發展相互成就的。事實上，人們在虛擬現實中的體驗已經足夠逼真，也正因如此，“元宇宙”才會成為當下最火熱的概念之一，但是，我們要想達到媲美真實世界的感覺，可能還需要在視覺和聽覺以外，模擬出更豐富更多樣的感覺——確切地說，是一種完整又全面的，包含了冷、熱、痛、麻等“辨別性觸覺”和令人舒服的“情感性觸覺”。
參考資料
［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：科普中國
