Rapid manufacturing of color-based hemispherical soft tactile fingertips

Tactile sensing can provide access to information about the contact (i.e. slippage, surface feature, friction), which is out of reach of vision but crucial for manipulation. To access this information, a dense measurement of the deformation of soft fingertips is necessary. Recently, tactile sensors that rely on a camera looking at a deformable membrane have demonstrated that a dense measurement of the contact is possible. However, their manufacturing can be time-consuming and labor-intensive. Here, we show a new design method that uses multi-color additive manufacturing and silicone casting to efficiently manufacture soft marker-based tactile sensors that are able to capture with high-resolution the three-dimensional deformation field at the interface. Each marker is composed of two superimposed color filters. The subtractive color mixing encodes the normal deformation of the membrane, and the lateral deformation is found by centroid detection. With this manufacturing method, we can reach a density of 400 markers on a 21 mm radius hemisphere, allowing for regular and dense measurement of the deformation. We calibrated and validated the approach by finding the curvature of objects with a threefold increase in accuracy as compared to previous implementations. The results demonstrate a simple yet effective approach to manufacturing artificial fingertips for capturing a rich image of the tactile interaction at the location of contact

Biomécanique de la perception tactile du frottement

When manipulating objects, humans rely on their sense of touch to perceive subtle movements and micro slippages. This synergy between sensations and motion permits them to manipulate an impressive range of objects of different sizes, shapes, and surface properties. This incredible dexterity relies on fast and unconscious adjustments of the grip force by placing a 20% safety margin before slip that holds an object strong enough to avoid a catastrophic fall yet gentle enough not to damage it. In addition to being accurate, this regulation is swift: only a hundred milliseconds after first making contact, grip forces are already adjusted by taking into account the actual frictional strength of the contact. This astonishing performance is owed to the sense of touch, which informs on the physical properties of the surrounding world and contact state. Within the fingertip, thousands of mechanoreceptors convert the complex mechanical interaction into action potentials. However, how the brain copes with large amounts of data to infer the state of the contact is still debated.This thesis covers how the cutaneous tactile afferent made it possible for a swift and precise regulation of the grip. Firstly, I show that humans can assess friction without slippage, suggesting that the radial stretch of the skin can provide enough information to regulate grip at the contact initialization. Secondly, I show that the perceptual system uses a compact code to estimate the safety margin from the skin deformation during an incipient slip, suggesting a mechanism to explain the rapid reactions. Finally, I expose a new model based on contact mechanics to quantify the sensitivity of the mechanoreceptors to the patterns of skin deformation highlighted in the first two chapters. This model also correlates the spatial and temporal detection threshold to detect a moving stimulus, suggesting a persistence of touch that bridges discrete sensations into a continuous stimulus.Taken together, these results reveal how the perception of friction is encoded in the spatio-temporal deformation of the skin. The findings are useful for designing bio-inspired tactile sensors for robotics or prosthetics and for improving haptic human-machine interactions.Lorsque nous manipulons des objets, nous nous fions à notre sens du toucher pour percevoir les mouvements subtils et les micro glissements. Cette synergie entre sensations et mouvement nous permet de manipuler une grande variété d’objets de différentes tailles, formes ou matériaux. Cette remarquable dextérité repose sur une régulation rapide et inconsciente de notre force de préhension, en maintenant une marge de sécurité avant glissement de 20% nous permettant ainsi de serrer l’objet suffisamment fort pour éviter une perte d’adhérence, mais suffisamment délicatement pour ne pas l’endommager. En plus d’être précise, cette régulation est très rapide : après seulement une centaine de millisecondes après l’initialisation du contact, la force de préhension est déjà ajustée en fonction du frottement disponible à l’interface. Nous devons cette performance hors-du-commun au sens du toucher qui nous informe sur les propriétés physiques du monde qui nous entoure ainsi que de l’état de contact. Le doigt humain est équipé de milliers de mécanorécepteurs qui convertissent l’interaction mécanique complexe en potentiels d’actions. Cependant, comment le cerveau reconstruit l’état de contact à partir de ce volume considérable de données, continue à faire débat.Cette thèse explore comment les afférents tactiles cutanés rendent possible une régulation rapide et précise de la force de préhension. Tout d’abord, une expérience psychophysique a permis de montrer que les humains étaient capables d’apprécier le frottement à l’interface sans glissement, indiquant qu’une expansion radiale de la peau peut apporter suffisamment d’informations pour réguler la force de préhension à l’initialisation du contact. Dans un second temps, je propose un encodage compact qui pourrait être utilisé par le système perceptuel pour estimer la safety margin à partir de la déformation de la peau lors d’un glissement partiel, suggérant un mécanisme pour expliquer nos promptes réactions. Enfin, j’expose un nouveau modèle basé sur la mécanique du contact pour quantifier la sensibilité des mécanorécepteurs aux motifs de déformation mis en évidence dans les deux premières parties. Ce modèle corrobore également avec les seuils de détection spatial et temporel, évoquant la présence d’une persistance tactile comblant un signal discret en stimulus continu.Dans leur ensemble, ces travaux révèlent l’encodage de la perception du frottement dans la déformation spatio-temporelle de la peau. Ces résultats pourront être utiles pour le design de capteurs tactiles bio-inspirés pour la robotique ou les prothèses. Ils ont également vocation à améliorer les interactions haptiques homme-machine

Biomécanique de la perception tactile du frottement

When manipulating objects, humans rely on their sense of touch to perceive subtle movements and micro slippages. This synergy between sensations and motion permits them to manipulate an impressive range of objects of different sizes, shapes, and surface properties. This incredible dexterity relies on fast and unconscious adjustments of the grip force by placing a 20% safety margin before slip that holds an object strong enough to avoid a catastrophic fall yet gentle enough not to damage it. In addition to being accurate, this regulation is swift: only a hundred milliseconds after first making contact, grip forces are already adjusted by taking into account the actual frictional strength of the contact. This astonishing performance is owed to the sense of touch, which informs on the physical properties of the surrounding world and contact state. Within the fingertip, thousands of mechanoreceptors convert the complex mechanical interaction into action potentials. However, how the brain copes with large amounts of data to infer the state of the contact is still debated.This thesis covers how the cutaneous tactile afferent made it possible for a swift and precise regulation of the grip. Firstly, I show that humans can assess friction without slippage, suggesting that the radial stretch of the skin can provide enough information to regulate grip at the contact initialization. Secondly, I show that the perceptual system uses a compact code to estimate the safety margin from the skin deformation during an incipient slip, suggesting a mechanism to explain the rapid reactions. Finally, I expose a new model based on contact mechanics to quantify the sensitivity of the mechanoreceptors to the patterns of skin deformation highlighted in the first two chapters. This model also correlates the spatial and temporal detection threshold to detect a moving stimulus, suggesting a persistence of touch that bridges discrete sensations into a continuous stimulus.Taken together, these results reveal how the perception of friction is encoded in the spatio-temporal deformation of the skin. The findings are useful for designing bio-inspired tactile sensors for robotics or prosthetics and for improving haptic human-machine interactions.Lorsque nous manipulons des objets, nous nous fions à notre sens du toucher pour percevoir les mouvements subtils et les micro glissements. Cette synergie entre sensations et mouvement nous permet de manipuler une grande variété d’objets de différentes tailles, formes ou matériaux. Cette remarquable dextérité repose sur une régulation rapide et inconsciente de notre force de préhension, en maintenant une marge de sécurité avant glissement de 20% nous permettant ainsi de serrer l’objet suffisamment fort pour éviter une perte d’adhérence, mais suffisamment délicatement pour ne pas l’endommager. En plus d’être précise, cette régulation est très rapide : après seulement une centaine de millisecondes après l’initialisation du contact, la force de préhension est déjà ajustée en fonction du frottement disponible à l’interface. Nous devons cette performance hors-du-commun au sens du toucher qui nous informe sur les propriétés physiques du monde qui nous entoure ainsi que de l’état de contact. Le doigt humain est équipé de milliers de mécanorécepteurs qui convertissent l’interaction mécanique complexe en potentiels d’actions. Cependant, comment le cerveau reconstruit l’état de contact à partir de ce volume considérable de données, continue à faire débat.Cette thèse explore comment les afférents tactiles cutanés rendent possible une régulation rapide et précise de la force de préhension. Tout d’abord, une expérience psychophysique a permis de montrer que les humains étaient capables d’apprécier le frottement à l’interface sans glissement, indiquant qu’une expansion radiale de la peau peut apporter suffisamment d’informations pour réguler la force de préhension à l’initialisation du contact. Dans un second temps, je propose un encodage compact qui pourrait être utilisé par le système perceptuel pour estimer la safety margin à partir de la déformation de la peau lors d’un glissement partiel, suggérant un mécanisme pour expliquer nos promptes réactions. Enfin, j’expose un nouveau modèle basé sur la mécanique du contact pour quantifier la sensibilité des mécanorécepteurs aux motifs de déformation mis en évidence dans les deux premières parties. Ce modèle corrobore également avec les seuils de détection spatial et temporel, évoquant la présence d’une persistance tactile comblant un signal discret en stimulus continu.Dans leur ensemble, ces travaux révèlent l’encodage de la perception du frottement dans la déformation spatio-temporelle de la peau. Ces résultats pourront être utiles pour le design de capteurs tactiles bio-inspirés pour la robotique ou les prothèses. Ils ont également vocation à améliorer les interactions haptiques homme-machine

Biomécanique de la perception tactile du frottement

Nous nous fions à notre sens du toucher pour percevoir et les micro glissements, dans le but de manipuler une grande variété d’objets. Cette remarquable dextérité repose sur une régulation rapide et inconsciente de notre force de préhension, pour éviter une perte d’adhérence sans endommager l'objet, déjà 100ms après le contact. Nous devons cette performance au sens du toucher et aux milliers de mécanorécepteurs qui convertissent l’interaction mécanique complexe. Cependant, comment le cerveau reconstruit l’état de contact à partir de ce volume considérable de données, continue à faire débat. Cette thèse explore comment les afférents tactiles rendent possible une régulation rapide et précise de la force de préhension. Tout d’abord, une expérience psychophysique a permis de montrer qu’une expansion radiale de la peau peut apporter suffisamment d’informations pour apprécier le frottement à l’initialisation du contact. Dans un second temps, je propose un encodage compact qui pourrait être utilisé par le système perceptuel pour estimer la safety margin à partir de la déformation de la peau lors d’un glissement partiel, suggérant un mécanisme pour expliquer nos promptes réactions. Enfin, j’expose un nouveau modèle basé sur la mécanique du contact pour quantifier la sensibilité des mécanorécepteurs aux motifs de déformation. Ce modèle évoque également la présence d’une persistance tactile comblant un signal discret en stimulus continu. Dans leur ensemble, ces travaux révèlent l’encodage de la perception du frottement dans la déformation de la peau. Ces résultats pourront être utiles pour le design de capteurs tactiles bio-inspirés pour la robotique ou les prothèses.Humans rely on their sense of touch to perceive subtle movements and micro slippages to manipulate an impressive range of objects. This incredible dexterity relies on fast and unconscious adjustments of the grip force that holds an object strong enough to avoid a catastrophic fall yet gentle enough not to damage it, in only a hundred milliseconds after first making contact. This astonishing performance is owed to the sense of touch. Within the fingertip, thousands of mechanoreceptors convert the complex mechanical interaction into action potentials. However, how the brain copes with large amounts of data to infer the state of the contact is still debated.This thesis covers how the cutaneous tactile afferent made it possible for a swift and precise regulation of the grip. Firstly, I show that humans can assess friction without slippage, suggesting that the radial stretch of the skin can provide enough information to regulate grip at the contact initialization. Secondly, I show that the perceptual system uses a compact code to estimate the safety margin from the skin deformation during an incipient slip, suggesting a mechanism to explain the rapid reactions. Finally, I expose a new model based on contact mechanics to quantify the sensitivity of the mechanoreceptors to the patterns of skin deformation. This model also suggests a persistence of touch that bridges discrete sensations into a continuous stimulus. Taken together, these results reveal how the perception of friction is encoded in the deformation of the skin. The findings are useful for designing bio-inspired tactile sensors for robotics or prosthetics and for improving haptic human-machine interactions

Data underlying the publication "Rapid change of friction causes the illusion of touching a receding surface"

The dataset contains the processed supporting data for the publication entitled "Rapid change of friction causes the illusion of touching a receding surface" under review in Royal Society Interface. In this paper, we elucidate the effects of changes in the frictional properties during an initial contact. The raw data include images of the participants' fingerprints, which are sensitive, so they will be available only upon request. To know more about each file, please read the README file. </p

Data underlying the publication "Rapid change of friction causes the illusion of touching a receding surface"

The dataset contains the processed supporting data for the publication entitled "Rapid change of friction causes the illusion of touching a receding surface" under review in Royal Society Interface. In this paper, we elucidate the effects of changes in the frictional properties during an initial contact. The raw data include images of the participants' fingerprints, which are sensitive, so they will be available only upon request. To know more about each file, please read the README file. </p

Data underlying the publication "Rapid change of friction causes the illusion of touching a receding surface"

The dataset contains the processed supporting data for the publication entitled "Rapid change of friction causes the illusion of touching a receding surface" under review in Royal Society Interface. In this paper, we elucidate the effects of changes in the frictional properties during an initial contact. The raw data include images of the participants' fingerprints, which are sensitive, so they will be available only upon request. To know more about each file, please read the README file. </p