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촉각

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목차

1. 개요

촉각은 피부를 통해 감지되는 감각으로, 물체의 형태, 질감, 온도 등을 인지하는 데 중요한 역할을 한다. 19세기 후반 에른스트 하인리히 베버는 피부 감각의 민감도에 대한 연구를 통해 베버의 법칙을 제시했다. 제임스 깁슨은 촉각을 신체를 사용하여 주변 세계를 감각하는 시스템으로 정의하고 능동적인 탐구의 중요성을 강조했다. 촉각은 압력, 온도, 통증 등 다양한 자극을 감지하는 수용 세포에 의해 신경학적으로 처리되며, 지각적 불감대와 같은 특성을 갖는다. 촉각 민감성은 피부 손상, 신경병증 등으로 인해 손상될 수 있으며, 촉각 치료 및 촉각 장치 개발을 통해 이를 개선하려는 연구가 진행되고 있다.

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촉각
촉각 정보
정의피부를 통해 느낄 수 있는 지각
관련 감각압력
온도
통증
가려움
위치 감각
운동 감각
연구 분야신경과학
심리학
공학
생리학적 메커니즘
수용기피부에 분포하는 다양한 종류의 감각 수용기
신경 경로감각 수용기에서 뇌로 이어지는 신경 경로
뇌 영역체감각 피질
시상
심리학적 측면
인지 과정촉각 정보를 해석하고 이해하는 과정
발달유아기의 촉각 경험이 발달에 미치는 영향
촉각적 주의특정 촉각 자극에 집중하는 능력
공학적 응용
햅틱 기술가상 현실
로봇 공학
원격 수술
인터페이스촉각 피드백을 제공하는 장치
임상적 중요성
촉각 장애촉각 기능의 손상 또는 변화
촉각 과민성일반적인 촉각 자극에 대한 과도한 반응
촉각 둔감성촉각 자극에 대한 감지 능력 저하

2. 역사

피부 감각 연구는 고대부터 시작되었으나, 현대적인 의미의 과학적 연구는 19세기 후반부터 본격화되었다. 1892년 독일의 심리학자 막스 데소이어는 "음향학" 및 "광학" 분야의 연구 스타일을 따라 촉각 연구를 위한 학술적 연구에 대한 명칭을 제안하면서 "합틱"이라는 용어를 만들었다.[3][4] 제임스 깁슨은 합틱 시스템을 정의하고, 합틱 지각과 신체 움직임의 상호 의존성을 강조했다. 합틱 지각은 확장된 생리적 고유 수용성 감각 개념과 관련되며, 합틱 기술에 적용된다.

한스 마카르트의 『오감 (마카르트)』 중 『촉각』

2. 1. 초기 연구

1892년 독일의 심리학자 막스 데소이어는 "음향학" 및 "광학" 분야의 연구 스타일을 따라 촉각 연구를 위한 학술적 연구에 대한 명칭을 제안하면서 "합틱"이라는 용어를 만들었다.[3][4]

2. 2. 현대 연구

막스 데소이어가 "합틱"이라는 용어를 만든 이후, 1966년 제임스 깁슨은 합틱 시스템을 "신체를 사용하여 신체에 인접한 세계에 대한 개인의 감각"으로 정의했다.[5] 깁슨 등은 합틱 지각과 신체 움직임이 밀접하게 상호 의존하며, 합틱 지각이 능동적인 탐구라는 점을 강조했다.

합틱 지각 개념은 확장된 생리적 고유 수용성 감각 개념과 관련이 있는데, 이에 따르면 막대기와 같은 도구를 사용할 때 지각 경험은 도구 끝으로 투명하게 전달된다.[6]

합틱 지각은 촉각을 통해 경험하는 힘에 의존한다.[7] 이 연구를 통해 다양한 지각적 특성을 가진 "가상"의 환상적인 합틱 형태를 만들 수 있으며,[8] 이는 합틱 기술에 명확하게 적용된다.[9]

가상 현실 (VR) 시스템 등에 응용되는 촉각 장치는 인간이 직접 접촉하지 않은 물체의 촉감을 유사하게 전달하는 기능을 한다.[21]

3. 신경학적 기전

피부 감각은 피부에 분포하는 다양한 종류의 수용 세포들에 의해 감지된다. 이 수용 세포들은 압력, 진동, 늘어남과 같은 기계적 자극뿐만 아니라 온도 변화, 유해한 자극 등에도 반응한다.

3. 1. 수용 세포



촉각의 생리학적 기반으로는, 압력의 변화에 응답하는 세포가 주된 것으로 여겨진다. 압력에 반응하는 세포에는 여러 종류가 있으며, 주로 압력이 가해져 반응하기 시작한 후 순응하여 반응하지 않게 되기까지의 시간 특성이 다르다. 순응이 빠른 세포는 압력이 계속 가해지는 상태에서는 반응하지 않으므로, 압력의 변화나 진동이 있을 때만 반응한다. 반대로 순응이 늦은 세포는 지속적인 압력의 존재에 반응한다.

  • 마이스너 소체
  • 파치니 소체
  • 메르켈 세포
  • 루피니 종말
  • 자유 신경 종말

3. 1. 1. 기계적 자극 수용기



기계적 자극 수용기는 압력, 진동, 늘어남 등과 같은 기계적 자극에 반응하여 촉각 정보를 뇌로 전달하는 역할을 한다. 압력에 반응하는 세포에는 여러 종류가 있으며, 주로 압력이 가해져 반응하기 시작한 후, 순응하여 반응하지 않게 되기까지의 시간 특성이 다르다. 순응이 빠른 세포는 압력이 계속 가해지는 상태에서는 반응하지 않으므로, 압력의 변화나 진동이 있을 때만 반응한다. 반대로, 순응이 늦은 세포는 지속적인 압력의 존재에 반응한다.

  • 마이스너 소체: 압력에 빠르게 순응하며, 진동 등에 잘 반응한다. 주로 표피 하층에 분포한다.
  • 파치니 소체: 압력에 매우 빠르게 순응하며, 진동 등에 잘 반응한다. 진피 하층이나 피하 조직에 분포한다.
  • 메르켈 세포: 압력에 느리게 순응하며, 지속적인 피부 압력에 잘 반응한다. 주로 표피에 분포한다.
  • 루피니 종말: 압력에 느리게 순응하며, 지속적인 피부의 변형 등에 잘 반응한다. 주로 진피에 분포한다.
  • 자유 신경 종말

3. 1. 2. 온도 수용기

온도 수용기는 온도 변화를 감지하여 온각과 냉각 정보를 뇌로 전달한다. 자유 신경 종말은 이러한 온도 수용기의 한 종류이다.[1]

3. 1. 3. 통각 수용기

통각 수용기는 자유 신경 종말을 통해 유해한 자극을 감지하여 뇌로 통증 정보를 전달한다.[1] 히스타민과 관련된 통증도 이러한 자유 신경 종말을 통해 전달된다.

4. 탐색 절차

사람들은 촉각을 통해 3차원 물체를 빠르고 정확하게 식별할 수 있다.[10] 물체의 외부 표면 위로 손가락을 움직이거나 물체를 손 전체로 잡는 것과 같은 탐색 절차를 사용한다.[11]

지금까지 확인된 탐색 절차는 다음과 같다.


  • 측면 운동
  • 압력
  • 포위
  • 윤곽 추적


따라서 수집된 물체 또는 대상 속성은 크기, 무게, 윤곽, 표면 및 재료 특성, 일관성 및 온도이다. 촉각 센서 개발과 함께 로봇의 탐색 행동을 개발하는 데에도 일부 노력이 기울여졌다.[12]

5. 지각적 불감대

지각적 불감대는 인간이 자극의 변화를 감지하지 못하는 영역을 의미한다.[1] 웨버 분수[1]와 레벨 교차 상수[14]는 촉각 힘 자극에 대한 지각적 불감대를 정의하는 데 사용된다. 불감대는 통신 네트워크를 통해 촉각 데이터를 전송하는 데 필요한 촉각 데이터 압축을 위한 지각적으로 적응적인 샘플링 메커니즘을 설계하는 데 중요한 응용 분야를 가지고 있다.[15]

지각적 불감대의 가능한 형태에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.

요인설명
힘 자극 변화율[16]웨버 분수 또는 레벨 교차 상수는 힘 자극의 변화가 더 빠를수록 감소한다.
시간 해상도[17]연속된 두 개의 힘 샘플을 지각하는 데 필요한 최소 시간 간격으로 정의된다.
방향 감도[18]이 연구는 웨버 분수가 방향이 아닌 힘 크기의 함수라고 주장한다.
수행 중인 작업: 변별 또는 비교[13]사용자는 변별 작업보다 비교 작업을 수행할 때 더 민감하다. 이는 비교 작업에서 한 방향으로만 변화를 지각해야 하기 때문이다. 이 모든 것은 지각적 불감대가 수행될 작업의 함수임을 의미한다.


6. 피부 감각 이상

Exo-Skin Soft Haptic exoskeletal interface


피부 감각은 다양한 질병 및 장애로 인해 손상될 수 있다. 피부 감각 이상은 걷기, 물건 잡기, 도구 사용 등 숙련된 행동을 손상시킬 수 있는 치명적인 결함이다.

6. 1. 원인



촉각 민감성은 다양한 질병과 장애로 인해 손상될 수 있다. 주로 절상 및 화상과 같은 피부 손상, 신경 병변(부상 또는 손상된 순환으로 인한)과 관련이 있다. 감각 상실(신경병증)은 대사, 독성, 면역학적 요인에 의해 발생할 수 있다. 신경병증을 유발하는 의학적 상태로는 당뇨병, 만성 신장 질환, 갑상선 기능 이상(항진증 및 갑상선 기능 저하증), 간염, 간 경변, 알코올 의존증 등이 있다. 자폐증, 감각 처리 장애 또한 촉각 민감성에 영향을 미칠 수 있다.

6. 2. 영향

피부 감각 이상은 걷기, 물건 잡기, 도구 사용 등 일상생활에 필요한 기능 수행을 저해할 수 있다.[1] 촉각 민감성은 절상 및 화상과 같은 피부 손상, 부상 또는 손상된 순환으로 인한 신경 병변 등 다양한 질병과 장애로 인해 손상될 수 있다.[1] 또한, 대사, 독성 및/또는 면역학적 요인에 의해 감각 상실(신경병증)이 발생할 수 있다.[1]

당뇨병, 만성 신장 질환, 갑상선 기능 이상(항진증 및 갑상선 기능 저하증), 간염, 간 경변, 알코올 의존증 등은 신경병증을 유발할 수 있는 의학적 상태의 예이다.[1] 자폐증, 감각 처리 장애 등 또한 촉각 민감성에 영향을 미칠 수 있다.[1]

7. 촉각 치료 (Haptic therapy)

몰입형 환경은 촉각 상호 작용의 느낌을 재현할 수 있다.[19] 드렉셀 대학교에서 개발한 Exo-Skin Soft Haptic 외골격 인터페이스와 같은 외골격 장갑은 근육과 감각을 재훈련하기 위해 환자를 물리 치료 운동 프로그램으로 안내하도록 프로그래밍할 수 있다.[20]

8. 촉각 장치 (Haptic device)

인간이 직접 접촉하지 않은 물체의 촉감을 유사하게 전달하는 촉각 장치가 개발되어 가상 현실(VR) 시스템 등에 응용되고 있다.[21]

참조

[1] 서적 Die Lehre vom Tastsinne und Gemeingefühle auf Versuche gegründet Friedrich Vieweg und Sohn 1851
[2] 웹사이트 Haptic perception https://psycnet.apa.[...] 2024-08-19
[3] 논문 Über den Hautsinn 1892
[4] 간행물 German pioneers of research into human haptic perception Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin 2008
[5] 서적 The senses considered as perceptual systems. https://archive.org/[...] Houghton Mifflin 1966
[6] 웹사이트 PROPRIOCEPTION http://www.7senses.o[...] 2019-02-14
[7] 웹사이트 Robles-De-La-Torre & Hayward. Force Can Overcome Object Geometry In the perception of Shape Through Active Touch. Nature 412 (6845):445-8 (2001). http://www.roblesdel[...] 2008-06-02
[8] 뉴스 The Cutting edge of haptics http://www.technolog[...]
[9] 간행물 Robles-De-La-Torre G. Principles of Haptic Perception in Virtual Environments. In Grunwald M (Ed.), Human Haptic Perception, Birkhäuser Verlag, 2008. http://www.isfh.org/[...]
[10] 논문 Identifying objects by touch: An "expert system." 1985
[11] 논문 Hand movements: A window into haptic object recognition 1987
[12] 논문 Learning efficient haptic shape exploration with a rigid tactile sensor array 2020
[13] 서적 Kinesthetic perception : a machine learning approach 2017-11-09
[14] 논문 Design and Analysis of Predictive Sampling of Haptic Signals 2014-12-08
[15] 논문 Haptic Codecs for the Tactile Internet https://kclpure.kcl.[...] 2019-02
[16] 간행물 Does Just Noticeable Difference Depend on the Rate of Change of Kinesthetic Force Stimulus? Springer Berlin Heidelberg 2014
[17] 간행물 Estimation of resolvability of user response in kinesthetic perception of jump discontinuities IEEE 2015-06
[18] 간행물 Deadzone Analysis of 2-D Kinesthetic Perception Springer Singapore 2017-10-27
[19] 간행물 Multisensory interface for 5D stem cell image volumes 2014-08
[20] 웹사이트 Design and Implementation of the Exo - Skin Soft Robotic Rehabilitation Exoskeleton https://provost.moss[...] 2017-05-10
[21] 뉴스 アルプス電気、VR向け触覚デバイス 20年に100億円めざす https://www.nikkei.c[...] 日本経済新聞 2016-11-22
[22] 웹인용 촉각 https://terms.naver.[...] 두산백과

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