Les forces normales et tangentielles se combinent pour transmettre la pression de contact lors de la stimulation tactile dynamique

May 31, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8215 (2022) Citer cet article

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Les humains doivent traiter avec précision les forces de contact qui surviennent lorsqu'ils effectuent des interactions haptiques quotidiennes telles que faire glisser les doigts le long d'une surface pour détecter les bosses, les régions collantes ou d'autres irrégularités. Plusieurs mécanismes différents sont possibles pour la façon dont les forces sur la peau pourraient être représentées et intégrées dans de telles interactions. Dans cette étude, nous avons utilisé une plate-forme robotique à force contrôlée et une modulation ultrasonore simultanée du frottement doigt-surface pour manipuler indépendamment les forces normales et tangentielles lors de la stimulation haptique passive par une surface plane. Pour évaluer si la pression de contact sur leur doigt avait brièvement augmenté ou diminué au cours d'essais individuels dans ce vaste ensemble de stimuli, les participants ne se sont pas appuyés uniquement sur la force normale ou la force tangentielle. Au lieu de cela, ils ont intégré des indices tactiles induits par les deux composants. L'analyse par vecteur-support-machine a classé les données d'essais physiques avec une précision allant jusqu'à 75 % et a suggéré un mécanisme de perception linéaire. De plus, le changement de l'amplitude du vecteur de force prédisait mieux les réponses des participants que le changement du coefficient de frottement dynamique, ce qui suggère que les signaux tactiles intensifs sont significatifs dans cette tâche. Ces résultats fournissent de nouvelles informations sur la façon dont les forces normales et tangentielles façonnent la perception du contact tactile.

Toucher des surfaces, saisir des objets et manipuler des outils font partie du quotidien de la plupart des humains. Au cours de ces interactions, nous pouvons extraire sans effort des informations sur la forme, le matériau et la texture de presque tous les contacts que nous établissons. Lorsque nous recherchons activement des informations haptiques particulières, nous sommes experts dans l'utilisation de procédures exploratoires pour effectuer des mouvements appropriés et maximiser nos performances perceptives 1. Ces mouvements nous permettent de recueillir les indices tactiles essentiels nécessaires à la perception fine des objets du quotidien 2, des textures 3 ou de la manipulation adroite. 4. L'importance de la rétroaction tactile est encore soulignée par la complexité de la plupart des tâches quotidiennes lorsque le sens du toucher est perdu 5 ou lorsqu'une anesthésie locale est appliquée 6.

Les gestes exploratoires génèrent nécessairement des efforts et des déformations sur la peau ; des expériences antérieures ont montré que ces phénomènes sont des signaux sensoriels essentiels lorsque des mouvements actifs sont effectués 7,8. Tous les types d'afférences répondent aux événements de glissement 9 et aux changements de friction lors du glissement passif 10. Les déformations qui se développent à travers la couche cornée lors de ces événements créent des champs de déformation qui dépendent de l'intensité et de la direction de la force appliquée 11,12. Lorsqu'elles sont suffisamment grandes, les souches induisent finalement des réponses des mécanorécepteurs 9,13. De plus, il a été montré que les réponses d'une petite population d'afférences peuvent classer avec précision la force normale exercée et les propriétés de frottement des textures 14. Les signaux des sous-modalités activées convergent alors vers le cortex somatosensoriel, où ils activent plusieurs populations de les neurones corticaux qui codent des dimensions perceptuelles importantes du sens tactile 15. Les humains sont donc capables de discriminer des changements d'amplitude de force de 7 à 10 % lorsque la force de référence est supérieure à 0,5 N et de 15 à 27 % lorsqu'elle est inférieure à 0,5 N 16, ainsi que des glissements de moins de 5 mm 17. Pourtant, on sait peu de choses sur les mécanismes cognitifs sous-jacents à ces processus et sur la manière dont les attributs physiques de la force de contact contribuent à la perception des caractéristiques tridimensionnelles (3D) par stéréognosie.

La recherche sur la perception tactile de la force de contact s'est principalement concentrée sur la compréhension du rôle des indices de frottement, qui sont liés à la force tangentielle. Il a été démontré que les humains sont extrêmement sensibles aux changements de la force tangentielle 18, y compris les signaux à l'échelle nanométrique induits par les différences moléculaires entre les matériaux 19,20. De plus, le frottement doigt-surface est connu pour moduler la perception de la rugosité de surface 21,22 et également médier les sensations affectives telles que l'agrément du toucher 23. Des preuves supplémentaires d'un rôle prédominant possible de la force tangentielle sont fournies par des études physiologiques et informatiques. Des enregistrements microneurographiques ont démontré que la direction du vecteur de force de contact affecte l'activité de tous les types de mécanorécepteurs, qui présentent en outre une réponse de pointe plus importante à la composante tangentielle de la force 24. Il a également été démontré que le frottement doigt-surface peut être prédit par la géométrie de la surface 25, et la modélisation de l'interaction suggère que la force de cisaillement est plus informative que la force normale pour la reconnaissance de la forme lors de l'exploration tactile active 26. Cependant, ces études ont analysé uniquement les mesures de mécanique de contact pour évaluer l'éventuelle pertinence sensorielle de ces repères tactiles ; d'autres expériences psychophysiques sont nécessaires pour comprendre si le sens du toucher repose sur des mécanismes de classification similaires.

Bien que la sensibilité humaine aux changements induits dans la direction normale ait été moins étudiée que celle de la force tangentielle, les scientifiques ont montré que les humains perçoivent avec précision l'amplitude de la force normale 27,28. Dans une étude qui a utilisé la même configuration expérimentale que celle-ci, de brefs changements de force normale ont été systématiquement détectés avec une différence à peine perceptible (JND) de 19 % sous frottement de surface faible et élevé 29. Dans cette tâche, les signaux tangentiels et normaux étaient disponible, mais le JND pour la force tangentielle variait selon les conditions tandis que la perception de la force normale suivait la loi de Weber. Les humains modulent également avec précision la force normale pour extraire de manière optimale les caractéristiques tactiles lors d'une tâche haptique 30. De plus, des recherches sur la perception de la force 3D appliquée au bout du doigt ont montré que les humains détectent avec précision la direction du vecteur de force et discriminent les différences dans sa direction tangentielle. aussi petit que 7,1 ° 31. Enfin, les entrées sensorielles des deux composantes de la force peuvent se renforcer ou se perturber pendant les processus cognitifs, comme c'est le cas pour la force, le couple et la raideur 32 bien qu'elles soient codées séparément dans les signaux des afférences tactiles 14,33.

Ainsi, la mesure dans laquelle le sens tactile repose sur les composantes de force normale et tangentielle pour la stéréognosie n'est toujours pas claire. Dans ce contexte, il est particulièrement important d'étudier la pertinence sensorielle des changements de force 3D, car il a été démontré que les forces induisent des signaux qui peuvent dominer la perception directe de la topographie de surface 7. Il est probable que les signaux sensoriels des composantes de force tangentielle et normale sont disponibles pour le sens tactile : la présente étude vise à étudier comment ces deux signaux tactiles sont intégrés par les humains dans leur perception de la pression de contact lors du toucher dynamique passif. À cette fin, nous évaluons comment les humains perçoivent les changements simultanés des vecteurs de force normaux et tangentiels lorsqu'une surface plane et lisse est caressée sur l'index immobile. Une stimulation passive était nécessaire pour contrôler les forces subies par les participants avec une précision suffisamment élevée. Ce type de stimulation supprime la rétroaction proprioceptive liée à l'action 8,34 et empêche certains ajustements que les humains effectuent dans le toucher actif 35. Cependant, plusieurs études qui ont fourni des signaux tactiles sur une surface en mouvement ont observé des seuils sensoriels similaires pour l'exploration active et passive 36 ,37.

Pour obtenir des stimulations normales et tangentielles indépendantes, nous utilisons un équipement sur mesure (Fig. 1a) qui combine la réduction par ultrasons de la force tangentielle déclenchée avec une plate-forme robotique capable de faire glisser une surface le long d'un doigt humain tout en contrôlant l'amplitude de la force normale ( Fig. 1b). Cet appareil nous a permis de moduler le vecteur de force de contact (Fig. 1c) en générant différentes combinaisons de trois amplitudes de changement de force normale (Fig. 1d) et de six amplitudes de changement de force tangentielle (Fig. 1e). Fait important, les combinaisons de ces conditions ont perturbé la corrélation naturelle entre les changements des forces normales et tangentielles 38 pour créer des stimuli qui n'ont pas été étudiés auparavant. En raison de la plage de stimulation limitée de l'appareil à ultrasons, les conditions avec une augmentation de la force tangentielle ont commencé à partir d'une lubrification par ultrasons de 1,5 µm, et celles avec une diminution ont commencé à partir du frottement naturel de la surface des doigts, comme cela a également été fait en 10. Les vecteurs de force enregistrés et les réponses nous a permis d'effectuer une analyse objective de la limite de décision qui correspond le mieux à nos résultats psychophysiques. De plus, nous avons étudié deux métriques couramment utilisées dans la recherche haptique, le coefficient de frottement dynamique 39,40 et l'amplitude du vecteur de force 3D 41. Nous avons testé ces métriques car elles pouvaient transmettre de manière plausible la pression de contact à travers l'adhérence perçue et la pression totale sur la peau, respectivement. Les résultats de cette étude sont fondamentaux pour comprendre les mécanismes informatiques du toucher et favoriser le développement ultérieur de dispositifs haptiques qui fournissent un retour de force.

(a) L'appareil expérimental utilisé pour moduler indépendamment la force normale (NF) et la force tangentielle (TF) qui sont appliquées sur le bout de l'index. (b) Supérieur : TF est modulé pendant le glissement en faisant vibrer la surface de contact à une fréquence ultrasonique (39 kHz) pour créer un film d'air à l'échelle microscopique entre la surface et la peau (effet de film compressé), réduisant ainsi le frottement doigt-surface. En bas : schéma du contrôleur proportionnel-intégral (PI) qui permet à la plate-forme robotique de moduler NF selon un modèle commandé. ( c ) Illustration de la modulation du vecteur de force de contact lorsque des changements sont induits par rapport à la pré-modulation NF et TF. TF est parallèle à la surface de contact et NF lui est orthogonal. (d) Essais typiques représentatifs des trois conditions de force normale : la force normale brièvement diminuée avec ∆NF = − 0,3 N (violet), la force normale constante de 1,0 N (gris) et la force normale brièvement augmentée avec ∆NF = + 0,3 N (vert). Les points de consigne sont représentés par les lignes pointillées. (e) Essais typiques représentant les six niveaux de changement de TF. Trois conditions commencent sans vibration ultrasonore et les trois autres commencent avec une vibration ultrasonique constante de 1,5 µm. Les changements d'intensité de la vibration ultrasonique et leur impact sur la surface du doigt TF sont affichés dans le tableau de droite. Une couleur est associée à chaque condition ultrasonore.

Les données ont été recueillies auprès de 11 volontaires sains âgés de 27 à 53 ans (4 femmes). Dix participants ont déclaré que leur main droite était dominante et un a déclaré être ambidextre. Tous les participants ont réalisé l'expérience avec l'index de leur main droite. Le comité d'éthique de la recherche humaine de l'UCLouvain a approuvé l'étude sous la référence 2019/03AVR/158. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé écrit à David Gueorguiev, qui a mené les études sur l'homme. L'enquête s'est conformée aux principes de la Déclaration d'Helsinki et les expériences ont été réalisées conformément aux directives et réglementations en vigueur.

Nous avons utilisé une plate-forme robotique personnalisée conçue pour appliquer des stimuli contrôlés au bout du doigt du participant lors d'un toucher dynamique passif. Cette plate-forme est basée sur un robot industriel (SCARA Denso HS-4535G à quatre axes) capable de translater dans trois directions orthogonales. Sa position est asservie avec une résolution de position de 15 µm par un contrôleur d'usine à une fréquence de 1 kHz, ce qui permet un contrôle précis de la vitesse instantanée du coulissement. L'index du sujet était fixé dans un support qui maintient un angle constant entre le doigt et la plaque stimulante (Fig. 1a). Une cellule de charge Mini40 (ATI, USA) est montée sur le robot pour mesurer le vecteur de force de contact ; la résolution de mesure unique du capteur de force est de 0,01 N en Fx et Fy (TF) et de 0,02 N en Fz (NF). La force normale est contrôlée par un contrôleur proportionnel-intégral (PI) et a été commandée à la valeur de base de 1,0 N.

En plus du contrôle de la force normale par la plateforme robotique, la force tangentielle est modulée avec un afficheur tactile ultrasonore intégré à la chaîne d'acquisition et de commande du robot. L'affichage est basé sur une version modifiée du STIMTAC 42. Le corps entier du stimulateur est monté sur le capteur de force du robot, et l'amplitude de vibration de l'appareil est contrôlée en boucle fermée. Le contrôle mis en place assure la stabilité de l'amplitude de vibration avec une résolution de 50 nm. L'interface peau-plaque était une feuille de polypropylène (PP) collée sur l'écran vibrant à ultrasons de l'appareil. La force tangentielle de base était soit la force de frottement naturelle de la surface du doigt, soit la force de frottement induite par une vibration ultrasonore de 1,5 µm.

Pour les trois changements de force commandés (− 0,3 N, 0 N, + 0,3 N), la plate-forme robotique a pu obtenir des changements de force normaux de − 0,30 ± 0,02 N, − 0,01 ± 0,03 N et 0,35 ± 0,03 N (moyenne ± SD), respectivement. Les changements présentaient une latence constante due à l'inertie de la plate-forme robotique mais étaient reproductibles et synchronisés avec le changement de force tangentielle. En plus du changement de la force normale appliquée, le signal ultrasonore du STIMTAC a été commandé pour changer la force tangentielle en synchronie avec la modulation de la force normale. Six conditions de stimulation par ultrasons ont été mises en place. Trois conditions ont commencé à partir d'une vibration ultrasonore de 1,5 µm, qui a ensuite été diminuée pendant la phase de modulation de 1,5 µm, 0,75 µm ou 0 µm. La diminution de l'amplitude des vibrations a réduit la lubrification par ultrasons et a donc augmenté le frottement doigt-surface. Les trois autres conditions ont commencé sans vibration ultrasonore, qui a ensuite augmenté pendant la phase de modulation de 1,5 µm, 0,75 µm ou 0 µm, afin de diminuer la force tangentielle doigt-surface.

L'expérience a combiné les deux techniques décrites ci-dessus pour obtenir une modulation simultanée et indépendante des deux composantes orthogonales de la force de contact doigt-surface : la force normale et la force tangentielle. Dans un intervalle de pré-modulation au début de l'essai, le robot a fait glisser l'interface ultrasonique sur le doigt du participant avec une vitesse constante de 2 cm/s et une force normale constante de 1,0 N jusqu'à 2,5 s après le début du mouvement. Cette vitesse et cette force ont permis un contrôle précis par la plate-forme robotique et ont empêché les artefacts tels que le stick-slip, qui se produisent plus souvent à des vitesses plus élevées. Ce niveau de force normale est cohérent avec ceux observés dans les tâches de perception de la rugosité sans contrainte 43. La vitesse d'exploration se situe à l'extrémité inférieure de la plage que les humains utilisent spontanément pour explorer une surface 44 et est cohérente avec les valeurs utilisées dans d'autres études 10,18,43 ,45. Au cours de l'intervalle de 0,5 s (intervalle modulé) suivant les 2,5 s initiales d'interaction constante, la force de contact normale sur le doigt a diminué (− 0,3 N), augmenté (+ 0,3 N) ou est restée à la même valeur. Après le bref changement, la force normale commandée a été de nouveau fixée à 1,0 N pendant le dernier intervalle du mouvement de la plate-forme.

La vibration ultrasonique peut être modérément ou fortement augmentée, modérément ou fortement diminuée ou maintenue constante à la valeur de départ basse ou haute en synchronisme avec le changement de la force normale. Toutes les combinaisons des trois conditions de force normale et des six conditions ultrasonores, que nous avons sélectionnées pour produire une large gamme de changements dans NF et TF, ont été présentées dix fois dans un ordre aléatoire pour un total de 180 essais par participant, ce qui a pris environ 50 min . Les participants ont commencé l'expérience en effectuant six essais d'entraînement choisis au hasard pour se familiariser avec les stimuli. Une pause d'une minute a été prévue au milieu de l'expérience pour étirer la main. Quelques participants ont pris une pause supplémentaire d'environ 30 s lorsqu'ils se sont sentis fatigués dans la première ou la seconde moitié de l'expérience.

Après chaque essai, le participant devait indiquer si la pression de contact appliquée par la plate-forme augmentait ou diminuait brièvement vers le milieu de l'essai. Il n'était pas permis de répondre que la pression n'avait pas changé. La formulation de la question relative à la « pression de contact » a été choisie pour éviter une référence explicite à la force normale et tangentielle tout en privilégiant la sensation liée à l'action verticale sur le doigt.

Le capteur de force/couple à six axes Mini40 monté entre le robot et la plaque à ultrasons a également été utilisé pour les mesures de force de contact. La composante de force normale en z ainsi que les composantes de force tangentielle en x et y ont été filtrées par un filtre Butterworth de second ordre passe-bas (40 Hz) pour supprimer le bruit mécanique et électrique causé par la plate-forme robotique ; notre convention de signe pour les essais de l'étude donne des valeurs positives pour NF et TF. Nous avons ensuite utilisé ces signaux de force filtrés pour calculer les changements relatifs de la force normale et de la force tangentielle pendant la période de modulation, par rapport à la pré-modulation. On calcule également l'amplitude (A) du vecteur force de contact,

et le coefficient de frottement dynamique (µ), qui est défini comme le rapport entre la force tangentielle à la surface du doigt TF et la force normale NF,

Pour chaque paramètre, la mesure de pré-modulation a été calculée en faisant la moyenne de ses valeurs sur l'intervalle de 200 ms avant le début de la modulation, et la mesure modulée a été calculée en faisant la moyenne des valeurs sur l'intervalle de 200 ms au milieu de la phase modulée. Les 150 ms pendant lesquelles la force normale évolue vers sa valeur maximale et les 150 ms pendant lesquelles la force normale revient à 1,0 N ont été exclues du calcul. Pour les deux métriques, nous définissons le changement relatif comme le rapport entre la mesure modulée et la mesure de pré-modulation.

La décision d'utiliser des méthodes statistiques paramétriques ou non paramétriques sur un échantillon de données donné a été motivée par le test de normalité de Shapiro-Wilk et l'alignement du graphique de normalité QQ. La pertinence de l'analyse de variance à deux facteurs (ANOVA) a été sondée en vérifiant la normalité des résidus non standardisés des variables indépendantes. Les analyses statistiques de l'étude ont été réalisées avec les logiciels Graphpad Prism et IBM SPSS. L'analyse support-vector-machine (SVM) a été réalisée avec la bibliothèque Python Scikit-learn 1.0.2 46.

Les participants à l'expérience ont été invités à indiquer si la pression de contact sur leur index avait brièvement augmenté ou diminué pendant l'intervalle au cours duquel la modulation des composantes de force s'était produite. En raison des limites de l'appareil à ultrasons, deux conditions de pré-modulation ont été utilisées : une commençant avec une force tangentielle naturelle à la surface du doigt de 0,98 ± 0,25 N (moyenne ± SD) qui a été brièvement diminuée par la lubrification par ultrasons, et une commençant avec une force ultrasonique maximale. amplitude, d'où une force tangentielle inférieure de 0,67 ± 0,27 N qui a été brièvement augmentée pendant l'intervalle modulé (voir Fig. 2a). Un test statistique a confirmé que la différence entre le TF des deux conditions de pré-modulation était significative (test t apparié : n = 11, t = 14,21, df = 10, p < 0,0001). En revanche, la capacité du robot à maintenir une force normale constante de 1 N n'a pas été affectée par la vibration ultrasonore (test t apparié : n = 11, t = 1,73, df = 10, p = 0,11).

( a ) La force tangentielle moyenne (TF) et la force normale moyenne (NF) pendant l'intervalle de pré-modulation pour les onze participants dans chaque condition, plus des statistiques récapitulatives (moyenne ± SD). (b) Le changement de TF et NF en moyenne sur tous les participants pour les 18 conditions de l'expérience (c) La moyenne des réponses entre les participants dans les 18 conditions de l'expérience (moyenne ± SD) À gauche : les conditions dans lesquelles le TF a augmenté ou est resté constante à un niveau inférieur pendant l'intervalle modulé. À droite : les conditions dans lesquelles TF a diminué ou est resté constant à son niveau supérieur naturel pendant l'intervalle modulé.

Contrairement à NF, qui était directement contrôlé par le robot avec une rétroaction proportionnelle et intégrale, TF était indirectement modifié en appliquant une augmentation ou une diminution prédéfinie à l'amplitude de vibration ultrasonore ; l'effet de chaque changement dépend quelque peu de l'état de la peau, produisant ainsi des changements de frottement légèrement différents d'un essai à l'autre. Les variations de vibration ultrasonore ont été choisies suffisamment importantes pour produire différents changements de TF. Pour vérifier que les niveaux de changement de TF étaient effectivement statistiquement différents les uns des autres, nous avons effectué des analyses ANOVA à mesures répétées avec correction de Greenhouse-Geisser sur les six combinaisons (deux lignes de base et trois changements de NF) modulées par trois niveaux de vibration ultrasonore. Nous avons constaté que toutes les analyses ANOVA étaient fortement significatives avec p <0, 0001 (Fig. 2b). De plus, des tests post-hoc de Tukey ont montré que le changement de TF était significatif avec p < 0,05 entre tous les niveaux de modulation ultrasonore. Ces résultats montrent que les participants ont connu un changement de TF distinct pour chaque niveau de modulation ultrasonore.

Par conséquent, nous avons étudié plus en détail comment la perception de la pression de contact est affectée par des changements simultanés de la force normale (NF) et de la force tangentielle (TF) en effectuant deux ANOVA à deux voies, qui ont été mises en œuvre séparément pour les conditions dans lesquelles TF a diminué de son naturel. niveau et pour ceux dans lesquels TF a augmenté à partir d'un niveau réduit. Les deux tests statistiques ANOVA ont été validés pour les deux types de conditions par un tracé QQ des résidus non standardisés ainsi que le test de normalité de Shapiro-Wilk. La variable dépendante dans l'analyse était le pourcentage rapporté d'augmentation de la pression, et deux variables catégorielles indépendantes ont été testées : le changement de NF et le changement de TF (voir Fig. 2c). Dans les conditions commençant par un faible frottement, nous avons constaté que le changement de NF (f(2) = 22,597, p < 0,001) et le changement de TF (f(2) = 4,299, p = 0,016) avaient un effet statistiquement significatif sur la probabilité que le sujet signale une brève augmentation de la pression de contact. Dans la condition commençant par un frottement naturel qui a brièvement diminué, nous avons également trouvé un effet statistiquement significatif sur le signalement d'une brève augmentation de la pression de contact à la fois par le changement de NF (f(2) = 42,002, p < 0,001) et le changement de TF ( f(2) = 16,061, p < 0,001). L'interaction entre les deux termes n'était significative dans aucune des deux conditions. Dans l'ensemble, les résultats montrent qu'une augmentation plus importante du TF ou du NF a rendu les participants plus susceptibles de signaler une augmentation de la pression de contact. A l'inverse, ils rapportaient plus souvent une diminution de la pression de contact lorsque TF ou NF diminuaient au cours de l'intervalle modulé.

Étant donné que l'analyse statistique ANOVA a montré des effets significatifs de TF et NF, nous avons utilisé des techniques de classification linéaires et non linéaires pour étudier l'importance relative des forces normales et tangentielles pour la perception humaine de la pression de contact lors de la stimulation tactile dynamique. Dans ces analyses, la variable dépendante était la perception d'une diminution ou d'une augmentation, et les variables indépendantes étaient les changements NF et TF générés dans tous les essais de l'étude. Dans un premier temps, nous avons effectué une régression logistique binaire car elle est bien adaptée à la classification des réponses binaires et à la modélisation des données psychométriques. L'analyse des deux variables indépendantes avec 20 itérations du modèle a montré une contribution significative des deux variables (W = 55,7 et p < 0,001 pour NF ; W = 178,5 et p < 0,001 pour TF). Il a obtenu un ratio de 0,71 de réponses correctement classées (voir le tableau 1 et la figure 3a) avec une aire sous la courbe caractéristique de l'opérateur du récepteur (ROC) de 0,77 ± 0,01 (moyenne ± SD).

( a ) Les changements induits de NF et de TF pendant l'intervalle modulé pour tous les essais de l'étude et la ligne de classification de la régression logistique binaire. ( b ) Résultats pour le noyau linéaire SVM avec l'ajout des limites de l'intervalle de confiance à 95%. ( c ) Résultats pour le noyau gaussien SVM. ( d ) Résultats pour le noyau polynomial SVM (degré = 3). (e) Les courbes caractéristiques de l'opérateur du récepteur (ROC) obtenues à partir des classificateurs mis en œuvre.

Nous avons exploré plus en profondeur en effectuant une analyse SVM des données avec plusieurs noyaux : linéaire, gaussien et polynôme du troisième degré. Nous avons implémenté les classifications avec un état aléatoire initial constant (42) pour obtenir des résultats reproductibles. 80% des données ont été utilisées pour former l'algorithme et 20% ont été utilisées comme ensemble de test. SVM a légèrement amélioré le taux de classification par rapport à la régression logistique binaire, en particulier la classification des diminutions signalées. Nous avons également calculé la ligne de décision aux limites et l'intervalle de confiance à 95 % pour tous les types de noyaux (Fig. 3b – d) ; les limites de l'approche du noyau gaussien suggèrent un surajustement des données. Les aires sous la courbe se sont également améliorées par rapport à la régression logistique binaire (Fig. 3e). Dans l'ensemble, l'ajustement polynomial du troisième degré a donné les meilleurs résultats et la ligne de contour suggère qu'elle a amélioré la classification en traçant un contour non linéaire autour des petits changements pour les classer comme des diminutions. Ici, l'algorithme modélise un rapport légèrement plus élevé de diminutions lorsque les changements de NF et TF sont proches de zéro. En général, une performance de classification relativement bonne pourrait être obtenue sur la base des changements NF et TF, et les résultats de classification suggèrent principalement des mécanismes perceptuels linéaires.

En plus des résultats objectifs des algorithmes de classification, nous avons examiné deux métriques souvent utilisées dans les études haptiques et plausibles pour cette tâche : l'amplitude de la force de contact 3D (A) et le coefficient de frottement dynamique (µ), qui est essentiellement inversement proportionnel au changement angulaire du vecteur de force de contact. Tout d'abord, nous avons testé si ces mesures montraient une variation significative lorsque TF et NF changeaient. L'ANOVA à mesures répétées unidirectionnelles avec correction de Greenhouse – Geisser sur les conditions dans lesquelles TF a été amené à varier a montré que les changements dans les métriques étaient significatifs entre les conditions avec p <0, 0001 (Fig. 4a). La même analyse statistique a été effectuée entre les niveaux de changement de NF pour les deux paramètres, et les différences étaient également significatives avec p <0, 0001 pour toutes les comparaisons (Fig. 4b). Tous les tests de Tukey post-hoc entre les conditions ont également montré une signification p <0,0001. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent que les changements induits par NF et TF modifient ces métriques de manière cohérente.

(a) Changements dans les conditions TF pour les deux métriques. Les points individuels représentent le changement moyen pour un participant dans une condition donnée. Les lignes relient les conditions du même participant avec une ligne de base identique et une variation de la force normale. (b) Même tracé pour le changement dans les conditions NF. Les lignes relient les conditions du même participant avec une ligne de base et des vibrations ultrasonores identiques.

Pour tester si ces métriques pouvaient être pertinentes pour la perception de la pression de contact, nous avons effectué des régressions logistiques binaires dans lesquelles les réponses des participants étaient la variable dépendante et les métriques étudiées étaient sondées en tant que variables indépendantes. Pour chaque métrique, nous avons calculé l'histogramme des réponses des participants et la courbe ROC pour tous les essais de l'étude (Fig. 5). Les histogrammes des données de tous les essais ne montrent aucune polarisation excessive et leurs pics sont proches de zéro ; ainsi, nous n'avons pas observé de distorsions significatives dans les espaces d'entrée. Pour A (Fig. 5a), le tracé de l'histogramme a montré que la distribution des réponses « augmentées » comprenait principalement des changements positifs dans l'amplitude du vecteur de force et que la distribution des réponses « diminuées » comprenait principalement des réponses négatives. De plus, les deux distributions n'ont pas montré un grand chevauchement. D'autre part, le chevauchement entre les augmentations et les diminutions signalées était plus important pour le changement de µ (Fig. 5b).

(a) Histogramme du nombre de réponses par rapport au pourcentage de variation de l'amplitude du vecteur de force de contact (A). (b) Même histogramme pour le pourcentage de variation du coefficient de frottement dynamique (µ). ( c ) Courbe des caractéristiques de l'opérateur du récepteur (ROC) pour le changement de A entre tous les participants. (d) Même courbe ROC pour le changement de µ.

Une régression logistique binaire qui a calculé les courbes ROC a trouvé une aire sous la courbe de 0,76 ± 0,01 (moyenne ± SD) pour le changement de A (Fig. 5c) et de 0,63 ± 0,01 pour le changement de µ (Fig. 5d). Les rapports de classification moyens (voir tableau 2) obtenus avec la régression logistique binaire unidimensionnelle étaient respectivement de 0,70 et 0,63 pour les changements de A et µ. Ainsi, le changement du coefficient de frottement dynamique ne correspondait pas bien aux réponses des participants, tandis que les performances avec l'amplitude du vecteur de force sont proches de la classification obtenue par analyse objective. Ces résultats suggèrent que des signaux intensifs liés au changement d'amplitude du vecteur de force 3D auraient pu être utilisés par les participants pour effectuer la tâche. Par conséquent, les changements de l'amplitude de la force de contact suscitent probablement des signaux haptiques qui peuvent contribuer à la perception de la pression de contact.

Les résultats de l'étude montrent que les participants ont utilisé à la fois les composantes de force normales et tangentielles pour évaluer les changements dans la pression de contact sur le doigt. Bien que la réponse rapportée par un participant dépende certainement de son interprétation particulière du terme « pression de contact », la sensation de pression de contact lors d'une stimulation dynamique semble être véhiculée non seulement par l'indentation normale de la peau mais également par son étirement tangentiel. Une explication mécanique possible du rôle perceptif important de TF pourrait être que, puisque la surface de contact brute est réduite lorsque la force tangentielle augmente 47,48, la pression moyenne sur les afférences dans la zone de contact est augmentée. De plus, il semble que les contraintes de compression induites par une augmentation de TF soient plus importantes que celles de traction 12, ce qui pourrait expliquer comment une augmentation de TF serait perçue comme une compression et donc une augmentation de la pression de contact. Une explication biomécanique pourrait également être que les changements de force tangentielle induisent un roulement du tissu mou du bout des doigts, qui pousse ensuite vers l'ongle près de la direction normale. De plus, notre étude a considéré le cas particulier d'une surface perpendiculaire à la gravité, mais les humains explorent le plus souvent haptiquement des objets comme des vêtements, des outils et des smartphones dans des orientations complexes. L'expérience avec des facettes aussi diverses du contact tactile aurait pu façonner une représentation plus complexe de la pression de contact.

Ainsi, la perception de la pression de contact lors de la stimulation haptique passive dynamique n'est pas médiée uniquement par l'indentation normale ou les indices de friction mais probablement par l'intégration de tous les indices tactiles induits par le changement de force. Un aspect unique de cette étude était d'utiliser une modulation indépendante des composantes de force tangentielle et normale pour étudier en profondeur les mécanismes sous-jacents à l'intégration perceptive de la force de contact exercée sur la peau. Le changement du coefficient de frottement dynamique a fourni des schémas de réponse qui se chevauchent et a ensuite été un mauvais classificateur des réponses des participants, ce qui est surprenant car il est lié à la sensation d'adhérence lors du toucher dynamique 49. Les participants ont probablement principalement utilisé des signaux intensifs, qui ne sont pas directement capturés par des calculs reposant sur un ratio. En effet, il est possible que la force globale augmente alors que le rapport entre TF et NF diminue, et inversement. En revanche, l'amplitude de la force de contact est un signal intensif qui a rarement été examiné dans des études antérieures, mais qui était plutôt bon pour classer les réponses des participants. Dans l'ensemble, la meilleure performance de classification (75%) a été obtenue par le SVM avec un noyau polynomial. Il semble que la frontière de décision soit presque linéaire lorsque les changements sont importants mais non linéaire pour les très petits changements. Cependant, l'amélioration limitée de la classification par rapport à SVM avec un noyau linéaire (73 %) ne permet pas de savoir si cette non-linéarité provient d'un mécanisme sensoriel lié à des intensités proches du seuil ou d'un surajustement de l'ensemble de données. Par conséquent, l'intégration linéaire est le candidat le plus plausible pour modéliser les mécanismes sous-jacents à la perception des changements simultanés de TF et NF.

Néanmoins, la classification n'était pas excellente, ce qui est probablement dû à des différences dans les critères de perception entre les participants ou même à des changements de stratégie de prise de décision au cours de l'expérience. La compréhension de la tâche pourrait également avoir eu une influence sur la stratégie perceptive des participants. Une tâche mettant clairement l'accent sur la friction ou la force normale aurait probablement eu un impact sur les résultats psychophysiques. Les mécanismes tactiles réels déclenchés par un vecteur de force appliqué sur la peau sont inconnus et peuvent être périphériques ou centraux. D'une part, les humains sont assez précis pour percevoir l'amplitude de la force de contact 3D sur leur doigt statique 41, et les afférences tactiles périphériques semblent coder le vecteur de force 14,24. D'autre part, il a été observé que les afférences tactiles à adaptation lente (SA) se déchargent principalement lorsque la peau est en retrait par un objet 50. Les humains peuvent mesurer la force tangentielle indépendamment de la force normale appliquée 51, soutenant la possibilité de voies séparées dans le système nerveux périphérique. Un candidat possible pour ce processus d'intégration est le cortex somatosensoriel, dans lequel d'autres caractéristiques tactiles importantes telles que la vitesse et la direction sont codées 15. D'autres alternatives existent également, telles que l'intégration par le noyau cunéiforme, dont il a été démontré qu'elle code les distributions de contraintes 52.

Une limitation de cette étude est le contrôle des modèles de vibration ultrasonore plutôt que la force tangentielle elle-même. Bien que la modulation ultrasonore ait été soigneusement contrôlée et identique d'un essai à l'autre dans le même état, le changement réel de TF variait légèrement à la fois entre les essais de chaque participant et en particulier entre les participants, puisque l'effet des vibrations ultrasonores sur TF dépend de la physiologie du doigt. 53 et sur des phénomènes tels que le stick-slip 54. Malgré ces variations, les différences entre les conditions étaient cohérentes et robustes, ce qui a permis de nouvelles connaissances sur la perception des changements indépendants de NF et TF. La génération de changements de TF avec des valeurs exactes en unités de force pourrait devenir possible avec un contrôle direct de la force tangentielle doigt-surface, pour laquelle des résultats préliminaires prometteurs existent 55. Une autre limitation était la plage de frottement de l'appareil à ultrasons, ce qui nous a amenés à mettre en œuvre différentes valeurs de base de TF pour les conditions dans lesquelles TF a augmenté et pour celles dans lesquelles il a diminué. Enfin, notre tâche comportait des stimuli qui duraient 0,5 s au milieu d'un coup passif et obligeait les participants à traiter consciemment les signaux tactiles. Étant donné que les humains ressentent des signaux de friction dans les millisecondes qui suivent le début de la pression sur une surface 56, les mécanismes perceptuels véhiculant les résultats de notre étude pourraient être différents des mécanismes sous-jacents à la préhension. Dans de futures études, nous pensons qu'il sera également intéressant d'étudier un large éventail de conditions de contact et de tâches tactiles afin de confirmer et de quantifier les mécanismes perceptifs à l'œuvre. Une meilleure connaissance de l'interaction entre les composantes de force tangentielle et normale se traduira par la définition de nouvelles métriques et bénéficiera au développement d'un retour haptique plus réaliste dans les applications tactiles.

Tous les jeux de données et scripts utilisés dans cette étude sont accessibles dans le référentiel Edmond suivant : https://doi.org/10.17617/3.OVAO6R.

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Ce travail a été soutenu par la Max Planck Society et par l'Agence Spatiale Européenne, Prodex, IAP VII/19 DYSCO (BELSPO, Gouvernement Fédéral Belge). Nous tenons à remercier le Dr Céline Bugli pour sa contribution aux analyses statistiques de cette étude.

Financement Open Access activé et organisé par Projekt DEAL.

Département d'intelligence haptique, Institut Max Planck pour les systèmes intelligents, Heisenbergstraße 3, 70569, Stuttgart, Allemagne

David Gueorguiev & Katherine J. Kuchenbecker

Institut Des Systèmes Intelligents Et de Robotique, Centre National de La Recherche Scientifique (CNRS), Pyramide - T55/65, CC 173 - Place Jussieu 4, 75005, Paris, France

David Guéorguiev

Institute of Neuroscience, Université Catholique de Louvain, Avenue Mounier 53 – B1-53-04, B - 1200 Woluwe-St-Lambert, 1200, Brussels, Belgium

Julien Lambert et Jean-Louis Thonnard

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Recherche conçue par DG, JL, JL.T. et KJK ; DG et JL ont effectué des recherches ; DG, JL, JL.T. et KJK ont analysé les données ; DG, JL, JL.T. et KJK ont rédigé l'article.

Correspondance à David Gueorguiev.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Gueorguiev, D., Lambert, J., Thonnard, JL. et coll. Les forces normales et tangentielles se combinent pour transmettre la pression de contact lors de la stimulation tactile dynamique. Sci Rep 12, 8215 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12010-0

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Reçu : 16 septembre 2021

Accepté : 26 avril 2022

Publié: 17 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12010-0

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