皮肤摩擦触觉感知及触觉仿生皮肤研究

In order to establish the relationship between the skin tactile perception and mechanical interaction, the theoretical and experimental methods will be used in this project. Firstly, based on the nonlinear contact and viscous elastic mechanics, a theoretical model which is according to the physiological structure of skin and the process of the friction tactile perception of skin will be developed. The mechanical response of the skin layer will be studied. Secondly, based on the tissue engineering, a synthetic skin with tactile sensing will be developed. The function of synthetic skin will be tested and improved by the experiments.After that, the experiments of synthetic skin and human skin will be carried out to study principle of biotribology, biomechanics, brain electrical physiological stimulation response, and psychophysics during the process of the skin friction tactile perception. Finally, according to the results of the experiments, the theoretical model will be improved. The stimulated coding mode and the energy exchange method of the mechanoreceptors in the skin will be analysised. The mechanism and quantitative characterization model of the friction tactile perception of skin will be obtained. This project will make contributions to the development of the substitution of vivo-skin in scientific research, material of skin transplant and repair, artificial intelligence skin of robot, human-machine interaction techniques, and the evaluation of the tactile texture of the productions.

为构建皮肤触觉感知和机械交互之间的桥梁并研制具有触觉功能的仿生皮肤，本项目以理论建模、计算机仿真与试验探索相结合开展研究。首先，根据皮肤的生理结构和力学特点，应用接触力学和粘弹性力学理论，建立皮肤摩擦触觉感知动态理论模型，研究触觉感知过程中皮肤层的机械响应规律。其次，基于组织工程学原理，研制具有触觉功能的仿生皮肤，并结合试验进行仿生皮肤的功能验证和完善，在此基础上开展仿生皮肤和人体皮肤的摩擦触觉感知试验，研究皮肤摩擦感知过程中的生物摩擦力学规律、脑电生理刺激响应规律以及心理物理学规律。最后结合试验结果，对理论模型进行修正，并分析皮肤摩擦感知过程中内部触觉感受体的机械刺激编码模式和换能方式，揭示皮肤触觉感知的机械机理并建立量化表征模型。研究成果可为活体皮肤测试替代品、皮肤移植修复材料、高触觉敏感性的机器人智能皮肤、人机交互技术、产品触觉质感定量评定等提供重要技术支持和理论支撑。

触觉是人类最重要的感觉之一，皮肤的触觉感知行为的研究对于材料的质地及材质识别，触肤产品舒适度以及产品触觉质感评定，智能机器人的研制等都具有重要的科学价值和巨大的经济效益。本研究项目分别进行了触觉感知的表征方法及最优工况研究、皮肤和皮肤护肤霜触觉感知研究、纺织品的触觉感知量化研究、头发的摩擦触觉感知研究、触觉感知脑电实验研究及皮肤摩擦触觉感知的有限元模型研究。通过本项目的实施，获得如下结果：1）工况条件对触觉感知的敏感性有一定影响，最优感知工况为载荷1.5 N，速度10 mm/s。2）特征参数功率谱重心SC, 垂直偏差R, 粘着力Fa和摩擦系数μ与人的触觉感知一致，能够精确表征感知细致度、感知粗糙度、感知油腻度和感知滑溜度；护肤霜、环境湿度和温度影响皮肤的触觉感知。3）由于头发的表面形貌、成分和力学性能变化，头发的触觉感知性能随着年龄的变化而变化。4）纺织品纹理的粗糙度、细密度、均匀度和综合感知度可以采用特征参数来量化表征。5）物体表面摩擦属性的变化会引起触觉感知的脑电变化，把物体表面物理属性与脑电信号的变化直接联系，初步实现对触觉感知的量化表征。6）基于非线性粘弹性的多层手指有限元二维模型的研究表明，不同速度、载荷、表面纹理和指纹影响手指内部机械感受体的应力应变响应，该机械响应与触觉感知有一定的关系。研究结果对于揭示皮肤对接触表面的基本触觉质感的认知机制，建立皮肤触觉感知评定的定量表征方法提供了基础数据和基本的理论依据。