手指热触觉的感知原理介绍

若两个物体接触时间足够短，用半无限体模型来解决它们之间的热传输问题是有效的，Lynette A.Jones、Gi-Hun Yang和Hsin-Ni Ho等人已经基于该模型分别探讨了手指-物体接触的热传输理论，分析了热触觉感知的机理。如图2-1所示，在手指和物体接触的短时间内，基于半无限体模型，手指和物体间的热传输控制方程如式（2-1）和式（2-2）所示。

图2-1　手指-物体接触热传输示意图

手指和物体的接触面上的边界条件：(www.xing528.com)

在式（2-1）—式（2-3）中，Ts和To分别表示接触面处手指皮肤温度和物体的温度，Ts，i和To，i分别表示接触之前手指皮肤和物体的初始温度，qs，s和qo，s分别表示接触面处从手指皮肤流出的热流和流入物体的热流，αs和αo分别表示手指皮肤和物体的热扩散率，x1和x2分别表示距离接触面的距离，t表示手指和物体的接触时间，R是接触面上的热阻。

根据式（2-1）—式（2-3），可推导出接触位置处手指皮肤温度随接触时间变化的函数关系，即：

式中，其中ks表示手指皮肤的热导率，es和eo分别表示手指皮肤和物体的蓄热系数（等于密度、热导率和比热三者乘积的平方根）。

由式（2-4）可看出，若手指的温度高于接触物的温度，手指与物体接触后接触面上手指皮肤温度的变化是按指数规律衰减的，由手指皮肤和接触物的初始温度、热扩散率、热导率、密度、比热和接触面的热阻共同决定；通过接触面上手指皮肤温度的变化可以实现热触觉感知，通过热触觉感知识别接触物的材质。