皮膚摩擦觸覺感知及觸覺仿生皮膚研究

《皮膚摩擦觸覺感知及觸覺仿生皮膚研究》是依託中國礦業大學，由唐瑋擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：皮膚摩擦觸覺感知及觸覺仿生皮膚研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：唐瑋
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

為構建皮膚觸覺感知和機械互動之間的橋樑並研製具有觸覺功能的仿生皮膚，本項目以理論建模、計算機仿真與試驗探索相結合開展研究。首先，根據皮膚的生理結構和力學特點，套用接觸力學和粘彈性力學理論，建立皮膚摩擦觸覺感知動態理論模型，研究觸覺感知過程中皮膚層的機械回響規律。其次，基於組織工程學原理，研製具有觸覺功能的仿生皮膚，並結合試驗進行仿生皮膚的功能驗證和完善，在此基礎上開展仿生皮膚和人體皮膚的摩擦觸覺感知試驗，研究皮膚摩擦感知過程中的生物摩擦力學規律、腦電生理刺激回響規律以及心理物理學規律。最後結合試驗結果，對理論模型進行修正，並分析皮膚摩擦感知過程中內部觸覺感受體的機械刺激編碼模式和換能方式，揭示皮膚觸覺感知的機械機理並建立量化表征模型。研究成果可為活體皮膚測試替代品、皮膚移植修復材料、高觸覺敏感性的機器人智慧型皮膚、人機互動技術、產品觸覺質感定量評定等提供重要技術支持和理論支撐。

結題摘要

觸覺是人類最重要的感覺之一，皮膚的觸覺感知行為的研究對於材料的質地及材質識別，觸膚產品舒適度以及產品觸覺質感評定，智慧型機器人的研製等都具有重要的科學價值和巨大的經濟效益。本研究項目分別進行了觸覺感知的表征方法及最優工況研究、皮膚和皮膚護膚霜觸覺感知研究、紡織品的觸覺感知量化研究、頭髮的摩擦觸覺感知研究、觸覺感知腦電實驗研究及皮膚摩擦觸覺感知的有限元模型研究。通過本項目的實施，獲得如下結果：（1）工況條件對觸覺感知的敏感性有一定影響，最優感知工況為載荷1.5 N，速度10 mm/s。（2）特徵參數功率譜重心SC, 垂直偏差R, 粘著力Fa和摩擦係數μ與人的觸覺感知一致，能夠精確表征感知細緻度、感知粗糙度、感知油膩度和感知滑溜度；護膚霜、環境濕度和溫度影響皮膚的觸覺感知。（3）由於頭髮的表面形貌、成分和力學性能變化，頭髮的觸覺感知性能隨著年齡的變化而變化。（4）紡織品紋理的粗糙度、細密度、均勻度和綜合感知度可以採用特徵參數來量化表征。（5）物體表面摩擦屬性的變化會引起觸覺感知的腦電變化，把物體表面物理屬性與腦電信號的變化直接聯繫，初步實現對觸覺感知的量化表征。（6）基於非線性粘彈性的多層手指有限元二維模型的研究表明，不同速度、載荷、表面紋理和指紋影響手指內部機械感受體的應力應變回響，該機械回響與觸覺感知有一定的關係。研究結果對於揭示皮膚對接觸表面的基本觸覺質感的認知機制，建立皮膚觸覺感知評定的定量表征方法提供了基礎數據和基本的理論依據。