On the biomechanics of the tactile perception of friction
Biomécanique de la perception tactile du frottement
Résumé
When manipulating objects, humans rely on their sense of touch to perceive subtle movements and micro slippages. This synergy between sensations and motion permits them to manipulate an impressive range of objects of different sizes, shapes, and surface properties. This incredible dexterity relies on fast and unconscious adjustments of the grip force by placing a 20% safety margin before slip that holds an object strong enough to avoid a catastrophic fall yet gentle enough not to damage it. In addition to being accurate, this regulation is swift: only a hundred milliseconds after first making contact, grip forces are already adjusted by taking into account the actual frictional strength of the contact. This astonishing performance is owed to the sense of touch, which informs on the physical properties of the surrounding world and contact state. Within the fingertip, thousands of mechanoreceptors convert the complex mechanical interaction into action potentials. However, how the brain copes with large amounts of data to infer the state of the contact is still debated.
This thesis covers how the cutaneous tactile afferent made it possible for a swift and precise regulation of the grip. Firstly, I show that humans can assess friction without slippage, suggesting that the radial stretch of the skin can provide enough information to regulate grip at the contact initialization. Secondly, I show that the perceptual system uses a compact code to estimate the safety margin from the skin deformation during an incipient slip, suggesting a mechanism to explain the rapid reactions. Finally, I expose a new model based on contact mechanics to quantify the sensitivity of the mechanoreceptors to the patterns of skin deformation highlighted in the first two chapters. This model also correlates the spatial and temporal detection threshold to detect a moving stimulus, suggesting a persistence of touch that bridges discrete sensations into a continuous stimulus.
Taken together, these results reveal how the perception of friction is encoded in the spatio-temporal deformation of the skin. The findings are useful for designing bio-inspired tactile sensors for robotics or prosthetics and for improving haptic human-machine interactions.
Lorsque nous manipulons des objets, nous nous fions à notre sens du toucher pour percevoir les mouvements subtils et les micro glissements. Cette synergie entre sensations et mouvement nous permet de manipuler une grande variété d’objets de différentes tailles, formes ou matériaux. Cette remarquable dextérité repose sur une régulation rapide et inconsciente de notre force de préhension, en maintenant une marge de sécurité avant glissement de 20% nous permettant ainsi de serrer l’objet suffisamment fort pour éviter une perte d’adhérence, mais suffisamment délicatement pour ne pas l’endommager. En plus d’être précise, cette régulation est très rapide : après seulement une centaine de millisecondes après l’initialisation du contact, la force de préhension est déjà ajustée en fonction du frottement disponible à l’interface. Nous devons cette performance hors-du-commun au sens du toucher qui nous informe sur les propriétés physiques du monde qui nous entoure ainsi que de l’état de contact. Le doigt humain est équipé de milliers de mécanorécepteurs qui convertissent l’interaction mécanique complexe en potentiels d’actions. Cependant, comment le cerveau reconstruit l’état de contact à partir de ce volume considérable de données, continue à faire débat.
Cette thèse explore comment les afférents tactiles cutanés rendent possible une régulation rapide et précise de la force de préhension. Tout d’abord, une expérience psychophysique a permis de montrer que les humains étaient capables d’apprécier le frottement à l’interface sans glissement, indiquant qu’une expansion radiale de la peau peut apporter suffisamment d’informations pour réguler la force de préhension à l’initialisation du contact. Dans un second temps, je propose un encodage compact qui pourrait être utilisé par le système perceptuel pour estimer la safety margin à partir de la déformation de la peau lors d’un glissement partiel, suggérant un mécanisme pour expliquer nos promptes réactions. Enfin, j’expose un nouveau modèle basé sur la mécanique du contact pour quantifier la sensibilité des mécanorécepteurs aux motifs de déformation mis en évidence dans les deux premières parties. Ce modèle corrobore également avec les seuils de détection spatial et temporel, évoquant la présence d’une persistance tactile comblant un signal discret en stimulus continu.
Dans leur ensemble, ces travaux révèlent l’encodage de la perception du frottement dans la déformation spatio-temporelle de la peau. Ces résultats pourront être utiles pour le design de capteurs tactiles bio-inspirés pour la robotique ou les prothèses. Ils ont également vocation à améliorer les interactions haptiques homme-machine.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)