建立软材料感知与流变学的直接关系：从主观触感到客观测量的范式转变

《Soft Matter》：Establishing direct relationships between soft material perception and rheology

在软材料领域，主观感知与客观物理性质之间的联系长期难以捉摸，阻碍了面向消费者体验的产品设计。本文报道了研究人员通过结合人体交互行为测量与瞬态恢复流变学，成功将人类触觉行为（如施加力、形变时间）直接转化为可测量的流变学参数（如应变γ、模量Grec）。研究发现，在感知相关的数秒时间尺度内，材料性质呈对数级变化，这为解释个体感知差异提供了物理基础。这项研究建立了一种量化“感知流变学”的普适方法，为未来个性化产品设计铺平了道路。

　　

当你拿起一款护肤品、食品或日用品，它的“软硬度”、“顺滑度”或“厚度”是决定你喜不喜欢、会不会复购的关键。然而，这些感官描述词对科学家来说却是个难题——它们主观、模糊，缺乏科学定义。产品开发者经常面临这样的困境：他们能用粘度或模量等精确的物理参数设计产品，却难以将“摸起来很柔软”这种模糊的用户反馈，转化为实验室里可控的配方指标。传统上，依赖消费者测试小组进行感官评分，但这种方法存在个体差异大、结果模糊的问题，阻碍了精准、高效的材料设计。为了打通主观感知与客观物理性质之间的鸿沟，一项发表在《Soft Matter》上的研究提出了一种全新的方法，直接将人类触摸材料的行为翻译成了标准的流变学语言。

本研究采用了多学科交叉的关键技术方法。首先，研究者设计了精巧的人类行为测量实验：让103名受试者在盲测条件下，通过手指按压来比较不同硬度的治疗用油灰（Theraputty）的软硬度，同时使用力传感器和光学位移传感器，以66.67 Hz的频率实时记录下压力、按压深度与时间的关系，从而量化“触觉探索”行为。其次，引入了瞬态恢复流变学作为核心分析工具。该方法对材料施加应力（模拟手指按压）一段时间（蠕变时间t），随后移除应力并测量应变恢复（恢复时间t_R），从而分离出粘性（不可恢复）和弹性（可恢复）应变分量，构建了材料在感知相关时间尺度下的动态流变图谱。最后，运用主成分分析等数据处理技术，从记录的14个物理行为变量中，降维提取出对感知方差贡献最大的关键特征。

人类触觉行为的多样性与量化

研究发现，人们在触摸材料时行为模式高度多样化。有的采用快速脉冲按压，有的采用长时单次按压，施加的力、每次按压的持续时间（蠕变时间t）和两次按压间的间隔（恢复时间t_R）都因人、因任务而异。通过定义力（对应应力σ）、形变（对应应变γ）等具有直接流变学等价意义的物理量，研究者成功将人类触摸行为“转译”为可测量的物理参数。主成分分析表明，时间、施加的力（应力）以及力的变化率（应力率）是解释行为差异的最主要特征。有趣的是，当比较的样品硬度不同时，人们的行为会系统性地改变：对于更硬的油灰，人们会施加更大的力，但产生的形变更小。

将感知行为关联至流变学

基于上述行为特征，研究团队通过恢复流变学实验，精确测量了材料在对应力历史和恢复时间下的响应。他们定义了可恢复模量G_rec、延迟粘度η_retardation、流动粘度η_flow等参数。研究发现，在人类触觉探索通常涉及的数秒时间窗口内，这些流变学性质会发生剧烈变化，其数值可以在短时间内跨越数个数量级。例如，在最初的几秒内，模量可能变化两到三个数量级。这种快速的对数尺度变化，与心理物理学中的费希纳定律（感知强度与刺激强度的对数成正比）形成了有趣的呼应。这解释了为何对于客观上相同的材料，不同个体因触摸行为（如按压速度和时长）的微小差异，会感知到明显不同的软硬度。

研究结论与讨论

这项研究成功建立了一套将人类对软材料的主观感知与客观流变学性质直接关联的严谨方法。它绕过了模糊的语言描述符，通过精确测量人-物交互的物理信号，并将其映射到恢复流变学测得的材料本征参数上。核心结论在于，材料的感知并非由某个单一的稳态流变参数（如平衡模量）决定，而是由材料在短暂交互时间内表现出的、快速变化的瞬态流变行为所主导。由于这种变化在对数尺度上发生，微小的行为差异就能导致感知上的显著不同。这项工作的意义重大，它为基于物理的、可量化的产品设计标准提供了框架，使得科学家能够针对不同的用户行为模式“定制”材料体验，而非依赖“一刀切”的平均值。尽管当前方法基于手指触摸，但其核心原理——分离瞬态的粘弹性响应——为未来研究更复杂的交互（如口腔触感）奠定了基础，预示着个性化消费品设计新时代的到来。