人的触觉原理对于触觉传感器的结构和功能的设计至关重要，它也能向触觉传感器设计提供珍贵的信息，帮助设计者决定应该施加什么程度的皮肤刺激。
皮肤的结构
皮肤结构分为表皮、真皮和皮下组织三层，如图1所示。触觉的控制器官叫作机械感受器，位于靠近真皮的皮下组织。感受器获得的信号通过神经传递到中枢神经，分别在脊髓和下丘脑通过突触联系进行信号传递，最后投射在大脑的中央后回。
图1 皮肤的结构和机械感受单位
机械感受单位
在评价机械感受器的特性时，无法回避神经的作用，所以机械感受器和神经被称为机械感受器单位。
根据感受范围的边界清晰度和对刺激的反应方式，机械感受器单位分为四种：慢适应1型（SAⅠ）、慢适应Ⅱ型（SAⅡ）、快适应I型（FAⅠ）和快适应Ⅱ型（FAⅡ）。SA和FA指的是适应(习惯刺激)速度的快慢。Ⅰ型和Ⅱ型分别对应清晰的感受范围边界和不清晰的感受范围边界。
皮肤的弹性系数
皮肤需要足够柔软才能细致地感受凹凸程度，但如果过于柔软，机器人又无法稳稳握住工具。同时表皮也需要有一定的硬度，以防被拉破。真皮要有一定的柔软度才能贴合对象物体表面。最下面的皮下组织中含有胶原蛋白纤维，打造结实的结构，能够防止外力过大时皮肤下面的组织与皮肤分离。
前野等人通过新鲜尸体手指测量了三层皮肤结构的杨氏模量，见表1。其中泊松比是便于计算的假设值。如表1所示，表皮、真皮和皮下组织的杨氏模量依次降低，证明上述讨论正确。为了保护元件，触觉传感器多设计为用皮肤胶质覆盖表面，因此上述事实极有参考价值。
表1 皮肤的弹性系数
机械感受单位的时间响应特性
众所周知，上述机械感受单位SAI、SAⅡ、FAI和FAⅡ的感受器分别是梅克尔细胞、鲁菲尼神经末梢、触觉小体和环层小体。
感受器的特性是通过微神经电图法获得的，这种方法用细小的钨针直接刺人神经，研究皮肤受到的刺激与传递到神经的信号之间的关系，如图2所示。
图2 微神经电图法的模式图
由此得到的四种机械感受单位的时间响应特性如图3所示。图3最下面的部分展示了刺激的变化，刺激从0秒开始匀速增大，然后维持一定的刺激程度，5秒后突然归0。上面的四个图像依次代表FAI、FAⅡ、SAI和SAⅡ。脉冲序列表示上述微电极测量的机械感受单位的活动情况，可见脉冲序列的间距越小，活动越剧烈。
首先，SAI的梅克尔细胞存在于表皮和真皮的交界处。如图3所示，时间不变的情况下，它对持续刺激和变化性刺激都有反应。梅克尔细胞也用于感知点字状的细微凹凸。
图3 四种机械感受单位的时间响应特性
下来是SAⅡ的鲁菲尼神经末梢，我们对它的了解还远远不够，但这种感受器的外观类似于感受肌肉拉伸的肌梭，所以它能感受皮肤的牵张。例如，当握住棒子的手想要转动棒子时，它能够感知转矩信息。
FAI的触觉小体只能感受刺激的速度变化，如图3所示。它用于手指摩擦表面来感受粗糙程度时感知振动刺激。
FAⅡ的环层小体的体积在四种机械感受器中最大，最易于观察，所以这种机械感受器的研究进展最快。从图3中可以看出，它能感受刺激的变化速度，无法感受匀速和稳定值，所以只能感受加速度刺激。
机械感受单位的频率特性
图4展示了机械感受单位的频率特性调查结果。机械感受单位能够感受的最小正弦波振动刺激的振幅用dB表示。图4中，纵轴dB后面写有“re.lμm”。“re.”是reference(参考)的缩写，“re.lμm”表示参照lμm的基准0dB。要将振动的振幅转换为dB，首先要将振幅单位转换为m，取其结果的常用对数，再乘以20。
图4 四种机械感受单位的频率特性
图4中，如果振幅在曲线上方，则表示能够感受振动。所以曲线值叫作阈值(意为临界值)。从图3中可知，四种感受单位中，SAI在几Hz的低频下阈值最低。100Hz以下的中间振动范围中FAI阈值最低，100Hz以上范围中FAⅡ值最低。
频率总范围中FAⅡ的灵敏度最高，在270Hz附近极高。负值dB表示它也能够感知此频率下1μm以下振幅的振动。
如上文所述，人的皮肤中含有多种频率特性各异的机械感受器，能够探测1Hz以下的低频到500Hz以上的高频之间的大范围频率振动。
图4虽然无法展示全貌，但机械感受器的阈值在接近1000Hz时急剧上升。因此，为了打造相当于人类触觉的触觉传感器，就要以1000Hz频带为目标。而且上述讨论告诉我们，皮肤中还有机械感受器以外的各种感知器官，这些信息也值得我们充分利用。这样的综合信息不仅有助于我们设计触觉传感器的硬件，也能帮助我们开发传感器融合技术软件。
除此之外，皮肤中还含有感受疼痛和温度的游离神经末梢，毛发部分含有作用在毛发上的感受刺激的毛囊感受器。综上所述，皮肤通过内含的各种感受器的兴奋程度获得触摸对象的材质感和湿度等信息。
备注：文章内容来自《机器人触觉传感器设计》大冈昌博 著，蒋萌 译
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