可扩展高密度触觉竞技场：测量自由活动动物的地面接触力

理解动物如何与环境发生物理交互，是研究运动、感觉运动控制和神经功能的基础。然而，大多数行为测量系统主要记录运动和姿势，而直接测量接触力往往需要专用仪器，或须在空间覆盖范围、分辨率和采集速度之间进行权衡。在此，我们提出一种可扩展的触觉传感平台，可将自由活动动物下方的表面转变为高分辨率接触成像仪器。该平台结合模块化传感器阵列与自适应压缩式触觉采样，在一条尺寸为 512 × 128 mm 的跑道上，以 2 mm 的间距布置 16,384 个触觉传感元件，名义采样频率为 1 kHz。系统无需对整个阵列进行穷尽式扫描，而是将测量集中于正在发生接触的区域，从而在扩展的行为活动表面上实现高速传感。同步俯视视频与辅助摄像的分析流程，可实现对足爪接触负荷、站立期动力学、足印形态、肢体间重量重新分配以及压力中心轨迹的逐足爪测量。在大鼠坐骨神经损伤纵向模型中，该平台检测到受伤后肢负荷降低、对侧肢体负荷增加；其中一些变化是传统步态时序指标未能充分反映的。该平台的模块化架构以及公开提供的硬件设计、软件和数据，为研究自由活动行为背后的力学交互提供了易于使用的框架，并有望应用于神经科学、损伤和运动恢复研究。

理解动物如何与环境发生物理交互，是研究运动、感觉运动控制和神经功能的基础。然而，大多数行为测量系统主要记录运动和姿势，而直接测量接触力通常需要专用仪器，或需在空间覆盖范围、分辨率和采集速度之间作出权衡。在此，我们介绍一种可扩展的触觉感知平台，可将自由活动动物下方的表面转变为高分辨率接触成像仪。该平台结合模块化传感器阵列与自适应压缩式触觉采样，在一条尺寸为 512 × 128 mm 的跑道上，以 2 mm 的间距布置 16,384 个触觉感测元件，名义采集频率为 1 kHz。系统并不对整个阵列进行穷尽式扫描，而是将测量集中于活跃接触区域，从而在扩展的行为活动表面上实现高速感测。同步俯视视频与辅助摄像分析流程可实现按爪区分的测量，包括接触负荷、支撑期动态、足印形态、肢体间负重重新分配以及压力中心轨迹。在纵向大鼠坐骨神经损伤模型中，该平台检测到受伤后肢负荷降低、对侧肢体负荷增加；其中一些变化未能通过传统步态时序指标充分反映。该平台采用模块化架构，并开放提供硬件设计、软件和数据，为研究自由活动行为中的机械交互提供了易于获取的框架，也有望应用于神经科学、损伤及运动功能恢复研究。

作者声明不存在利益冲突。

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关键词：触觉传感 · 地面接触力 · 步态生物力学 · 自由活动动物 · 坐骨神经损伤

原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.22.760735v1?rss=1