化学触觉：我们能在虚拟世界感受真实触感吗？

近两年，“元宇宙”一词大火，似乎这是能改变人类未来的东西。无论商业前景如何，一些研究人员确实在致力于让虚拟现实和数字人生结合。这其中就有一个问题：在虚拟世界能体验到现实一样冷热酸甜的感觉吗?化学触觉，或许可以告诉我们答案。

“警报突然响起，他快速离开现场，刚走到出口时却突然发生爆炸，火星溅落到他身上，令他感到阵阵刺痛。来到外面，天空中飘着雪花，寒意袭来，他发现原来是旁边核反应室里发出的警报。他前往探查，却发现手臂麻痹无力，好不容易打开房门，只见房间内热浪滚滚，他周身被一股灼烧的窒息感包围。但是，当他摘下VR头盔，一切都终止了。”

这是一次模拟体验。那些知觉上的变化，是几种化学物质通过一个可穿戴设备接触到皮肤之后所产生的：手臂麻木僵硬，是因为利卡多因接触到了皮肤；扑面而来的热浪，是因为辣椒素被释放到面部；刺痛的感觉来自山椒醇，而最后那种冰凉的感觉则是薄荷醇的作用。

这个神奇的可穿戴设备，利用的是一种叫作“化学触觉”（chemical haptics）的技术。事实上，化学物质一直被用来理解触觉机制。20世纪90年代，关于薄荷醇和辣椒素的研究，帮助我们明确了身体在遇到冷热刺激后会如何做出反应。现在，芝加哥大学的Jasmine Lu和她的同事正在应用这方面的知识，来制造一种由化学物质诱导产生的“触觉”。

触觉，不止接触

触觉技术能在无须直接接触的情形下产生触感。它并不是一个新鲜词，应用了触觉技术的设备在日常生活中随处可见。比如：iphone13上的home键并不是一个实体按键，它不能被按下，而是通过感知振动“假装”被按了下去一这或许是触觉技术在我们身边最常见的应用。

这类设备的局限，在于它们大多通过力或振动来实现功能，因此它们只能使用触觉机制的一种形式——压力，而我们的皮肤能感知到的远远不止压力这个因素。比如，你摸到一块冰块和一块烙铁，很显然，这两个物体带给你的感觉是不同的，这说明在压力之外，你的皮肤还感觉到了其他类型的刺激。触觉是由皮肤中各种各样的感受器共同作用产生的，那么，如果能把这些感觉全部模拟出来并且集成到同一个设备里，就可以复制一种极度逼真的触觉。

化学触觉技术的用意，就是用化学物质把这些冷、热、振动、压力等感觉“一揽子”模拟出来的。与Jasmine Lu同在一个研究团队的Jas Brooks早先曾经设计过一个VR头盔，它能将薄荷醇、辣椒素等化学物质释放到鼻腔的三叉神经处，然后三叉神经就能将冷热的感觉传达给大脑。而且，使用者不仅仅是因为闻到了薄荷醇或者辣椒素的气味而联想到了冷和热，他们之所以有冷热的感觉，还因为三叉神经在明明白白地“告诉”大脑：现在环境的温度就是变了。

但是使用这个设备不够友好，让辣椒素直接泵入鼻腔，确实可以很直观地传达热的感觉，但是“辣”的刺激也很强烈。所以，Jasmine Lu想要寻找一种能绕过鼻子、直接通过皮肤产生触觉的途径。那么，化学物质如何作用于皮肤产生种种感觉呢？

辣椒素和薄荷醇给出的启示

上世纪90年代初，加利福尼亚大学的戴维·朱利乌斯（David Julius）想要寻找一种替代阿片类的止痛药。但是首先，他需要从分子生物学上了解人体是如何感知到疼痛的，以及触觉的信号通道是如何被强化的。

他和同事创建了一个由几百万个DNA片段组成的资源库，每一个片段都与神经元中能对疼痛、热和触感做出反应的基因相对应。在1997年，他们终于识别出了一个叫作TRPV1的受体。TRPV1位于伤害性感受神经元的细胞膜上，当受到辣椒素的刺激时，TRPV1会打开离子通道做出响应。有意思的是，TRPV1同样会被热刺激激活，当遇到43℃以上的高温时，TRPV1会释放一模一样的电信号并传达给大脑——所以“辣”和“热”带给我们的感受是很相似的。

我们常常把“酸甜苦辣”并提，但其实仔细一想就知道，辣和其他三味明显不同。举个例子，如果你用刚刚切过辣椒的手揉了眼睛，你的眼睛也会感到火辣辣的，而如果用刚刚摸过蛋糕的手去揉眼睛，眼睛并不会感到甜。这个例证在提示我们，辣和热有着异曲同工的关联，辣并不是一种味觉，它本质上是一种“热觉”。

David Julius等人继续用了多年时间，详细研究了由感受器、神经元、受体和离子通道组成的复杂体系，我们那些层出不穷又妙不可言的触觉感受就来自于它们的共同作用。这项研究中的另一位核心人物阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），以薄荷醇为研究对象发现了皮肤产生“冷觉”的机制，随后又发现了皮肤上的压力感受器。这些工作让人们逐渐理解了何为触觉。2021年，David Julius和Ardem Patapoutian因为发现了温度和触觉感受器而获得诺贝尔生理学和医学奖。

他们的工作也给了Jasmine Lu很大的启发，她因此重新制定了实验方案。她不再通过创造热环境、施加力或振动来实现触觉技术，而是试图使用化学物质直接刺激皮肤，并触发皮肤中的受体来模拟与触觉相关的种种感觉。

2021年诺贝尔生理学或医学奖得主戴维.朱利乌斯（左）和阿登·帕塔普蒂安

第三种“化学感觉”

我们能感觉到来自化学物质的刺激，是因为细胞上的受体能与化学分子相互作用，然后做出响应并将信号传递给大脑。在大多数人的固有认知里，这个过程主要体现为嗅觉和味觉。不过，如果你的想法只停留在这儿，显然就低估了受体。

嗅觉的受体在鼻腔，味觉的受体在舌头上，其实你能想象即使没有鼻子和舌头，也还会有第三种“化学感觉”存在。比如，你咀嚼花椒的时候，不仅口腔里麻麻辣辣的，嘴唇也会有针刺似的感觉，这是因为花椒中有一种关键成分叫作山椒醇，它会与嘴唇皮肤上的痛觉感受器和机械感受器发生作用，就好像有个振动小马达放在嘴唇上似的，所以你会感到有一种刺痛感。可见，响应化学刺激的受体不仅存在于鼻子和舌头，化学物质引发的感觉也不局限于嗅觉和味觉。

1912年，美国动物学家GeorgeH·Parker提出了“共同化学感觉”的概念，用来描述动物身上（尤其是皮肤）的化学感受性得的多，Parker通过动物实验，认为这是广泛存在于神经系统的性质，而非味觉和嗅觉神经的特性。到了20世纪90年代，才有人提出用“化学物理觉”（chemesthesis）这个概念替代“共同化学感觉”，来描述这第三种化学感觉。

有前景，亦有局限

现在，Jasmine Lu的团队把这种化学触觉技术应用到了VR方面。他们创建了一种可穿戴设备，将化学物质储存在可穿戴设备里，并通过微型泵推动着流经对皮肤开放的通道，让皮肤在试剂通过时接触到甚至吸收它们，进而产生种种感觉。但是，我们能完全用这种体验替代真实的触觉吗?如果不能，这两种“触觉”的差别在哪里呢?

在2021年的用户界面软件与技术大会（User InterfaceSoftware and Technology conference）上，他们发布了一则视频，视频中是一个虚拟现实场景，一个人佩戴着他们设计的可穿戴设备，正在“经历”一次惊险刺激的核事故——也就是本文开头的那个场景。

不过，并不是所有人都对这一技术感到兴奋，至少在有些领域的从业者看来，触摸是具有社会学意义的一种行为，它不单单是一个动作，有时还象征着情感连接，是不能简单粗暴地用冷、热、疼、麻来概括和取代的。

这些质疑的声音也揭示了这一技术的局限性。为什么撸猫时会感到解压?答案就在介导这一类触觉的神经纤维上。不同于感知冷或热、痛或痒的那种触觉（被称为辨别性触觉，discriminativetouch），撸猫时的触觉是一种情感性触觉（affectivetouch），它由一种特殊的神经纤维——CT纤维主导。 CT纤维只对缓慢的、轻柔的触摸有响应，例如每秒移动5厘米左右的触摸刺激。撸猫时的触摸就是这种类型的刺激。顾名思义，之所以叫作“情感性”触觉，是因为它能与人们的心理作用和情绪体验产生联系。Jasmine Lu的化学触觉系统能够模拟出来的都是辨别性触觉，对于情感性触觉是无能为力的。这确实是化学触觉技术的局限，但即便如此，它的前景依然令人期待。

或者我们可以说，Jasmine Lu团队开发的这种化学触觉技术，是与VR领域的发展相互成就的。事实上，人们在虚拟现实中的体验已经，足够逼真，也正因如此，“元宇宙”才会成为当下最火热的概念之一，但是，我们要想达到媲美真实世界的感觉，可能还需要在视觉和听觉以外，模拟出更丰富更多样的感觉——确切地说，是一种完整又全面的，包含了冷、热、痛、麻等辨别性触觉和令人舒服的“情感性触觉”。