模擬人體出汗的仿生皮膚*

宮保強姚寶國周子晗

(中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來與皮膚直接接觸的產(chǎn)品越來越多，對這些產(chǎn)品的測試需要仿生皮膚作為研究基礎(chǔ)[1－3]，同時仿生皮膚作為機器人與外界交互的媒介，是智能機器人的重要組成部分[4－5]，在生活中因為意外而導(dǎo)致的皮膚嚴(yán)重?fù)p傷，需要皮膚的替代物。這些都是對仿生皮膚的迫切需求[6－8]。關(guān)于仿生皮膚的應(yīng)用研究主要分為以下三個方面。在智能機器人應(yīng)用領(lǐng)域，Bruck等[9]創(chuàng)造出了一種可以感知接觸力的高度柔順人造皮膚，機器人通過人造皮膚觸摸物體，感知接觸力，從而進行訓(xùn)練與環(huán)境交互。Heo等[10]提出了一種受手掌皮膚啟發(fā)的仿生三層皮膚結(jié)構(gòu)，研究證明了采用該皮膚材料的機械手在抓取任務(wù)中具有更強的魯棒性。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，周等[11]制備了一種呈“三明治”結(jié)構(gòu)的熱敏人工皮膚，體內(nèi)實驗表明其能有效加速創(chuàng)面閉合。Sahan等[12]闡明了一種人工機械皮膚模型的發(fā)展，運用該模型研究微針與皮膚之間的機械相互作用，從而實現(xiàn)最佳的藥物傳遞和生物感應(yīng)。Ferreira等[13]制備了一種有希望用于傷口愈合和軟組織再生的具有藥物釋放性能的仿生皮膚膜結(jié)構(gòu)。在與皮膚接觸類物質(zhì)測試領(lǐng)域，陳等[14]利用親疏水聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)，建立了一種水化程度可調(diào)的人工皮膚模型。該模型已被用于研究皮膚與創(chuàng)面、化妝品之間的相互摩擦作用。Guan等[15]使用聚二甲基硅氧烷材料開發(fā)了一種具有可控排汗率的模擬皮膚，用于皮膚及其緊密接觸織物在輻射熱危害下的傳熱評估。

現(xiàn)有的仿生皮膚主要分為兩大類，一類是模擬人體皮膚觸力感知功能的仿生皮膚模型，不具有出汗功能，主要用于智能機器人的研究與應(yīng)用方面[16－17]；另一大類是織物熱濕傳遞性能研究中用到的模擬皮膚，具有出汗功能，又以高保濕棉織物皮膚[18]及微孔膜復(fù)合層皮膚[19]最為典型。Fan等[20]研制出了“Walter”出汗假人，可用于服裝熱阻與濕阻的同時測算。李學(xué)東等[21]研制了一種出汗模擬裝置，并結(jié)合天然纖維組成的人造皮膚模擬人體出汗。Koelblen等[22]使用含彈性體的棉、滌綸、含彈性體的聚酰胺和當(dāng)作模擬皮膚，使它們貼附在熱人體模型上，從而模擬人體出汗和蒸發(fā)冷卻過程。但這兩大類皮膚模型嚴(yán)格來說都是單層的，只模擬了皮膚表層，無法真實模擬人體皮膚出汗與溫度調(diào)節(jié)的功能。本研究通過選擇合適的微孔膜，構(gòu)建具有三層膜結(jié)構(gòu)的仿生皮膚，搭建由汗源、微量柱塞泵等組成的模擬出汗裝置，進行內(nèi)核溫度控制及表皮溫度調(diào)節(jié)實驗。

1 仿生皮膚原理

1.1 仿生皮膚組成

人體皮膚主要由表皮層、真皮層及皮下組織三部分組成，在皮下組織中分布有大量靜脈血管及汗腺，而在真皮層中分布有冷熱感覺神經(jīng)及汗管，表皮層則有汗孔和毛干[23]。人體通過下丘腦的控制進行溫度調(diào)節(jié)，熱感覺神經(jīng)檢測到皮膚真皮溫度高于穩(wěn)定值時，下丘腦前部控制皮膚血管擴張，增大血液流量，便于熱量耗散，并使汗腺出汗，汗液蒸發(fā)帶走皮膚大部分熱量，達到降溫的目的[24]。

根據(jù)人體皮膚結(jié)構(gòu)及溫度調(diào)節(jié)過程，設(shè)計具有模擬出汗功能的仿生皮膚，主要由模擬皮膚本體和模擬出汗裝置組成。皮膚本體由熱源層、汗源層及表層組成，這與人體皮膚結(jié)構(gòu)的皮下組織、真皮層及表皮層結(jié)構(gòu)一致，熱源層的加熱膜模擬皮下組織分布的大量靜脈血管的溫度保持作用，是皮膚熱量的主要來源；仿生皮膚汗源層匯集汗液并傳導(dǎo)到皮膚表面與人體皮膚真皮層中的汗管功能一致；仿生皮膚表層膜的親水特性與人體皮膚表皮層的汗孔功能一致，能將汗液透出到皮膚表面。

仿生皮膚的溫度調(diào)節(jié)與人體皮膚溫度調(diào)節(jié)的過程是一致的。熱源層電加熱膜的加熱模擬皮膚真皮溫度升高，通過其表面的溫度傳感器監(jiān)測溫度并反饋到數(shù)據(jù)采集硬件，傳遞給計算機控制系統(tǒng)，計算機通過模糊PID自適應(yīng)算法控制電加熱膜工作，維持仿生皮膚內(nèi)核溫度穩(wěn)定，這與下丘腦根據(jù)真皮層冷熱感覺神經(jīng)的傳導(dǎo)信號，控制皮下組織血管的收縮，實現(xiàn)皮膚溫度穩(wěn)定過程一致。當(dāng)皮膚表皮溫度過高時，計算機控制微量柱塞泵從35℃的生理鹽水汗源中抽取汗液，經(jīng)由汗液管路、注水針頭輸送到汗源層中，汗液因為皮膚表層膜的親水特性透出到皮膚表面，最后通過汗液蒸發(fā)降低表皮溫度，這與下丘腦控制汗腺出汗并通過真皮層的汗管、表皮層的汗孔及毛干，將汗液運送到皮膚表面降溫的過程一致。仿生皮膚出汗及溫度調(diào)節(jié)的原理框圖如圖1所示。

圖1 仿生皮膚的原理框圖

1.2 仿生皮膚本體

仿生皮膚本體由皮膚表層、汗源層及熱源層三層組成[22]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿生皮膚結(jié)構(gòu)

熱源層由高精度的溫度傳感器及厚度為0.4 mm的聚酰亞胺柔性電加熱膜組成，加熱模厚度較薄，滿足仿生皮膚不宜過厚的要求，通過對電加熱膜溫度的控制模擬人體皮膚真皮層溫度的變化，借助溫度傳感器實現(xiàn)對內(nèi)核溫度的實時監(jiān)測。加熱模表面涂有防水層，能夠有效地防止因汗源層滲透的水分而引起的短路。

汗源層由上下兩層膜及中間的注水針頭構(gòu)成，如圖3所示，下層膜能夠隔絕汗水，防止其對熱源層造成影響，上層膜能夠吸收汗水，并將吸收的汗水從汗源層透出，供表層膜使用[21]。汗源層具有合適的厚度，能夠?qū)嵩磳拥臒崃總鬟f給表層。

圖3 汗源層結(jié)構(gòu)

汗源層上下膜之間注水針頭的內(nèi)徑為0.25 mm，針孔內(nèi)徑要盡可能的小，防止上下膜間有氣隙造成熱量耗散。仿生皮膚的面積為100 cm2，而一個注水針頭能快速浸潤的面積約為(14.8±1.2)cm2，為了模擬人體皮膚下分布的大量汗腺，使汗液在皮膚表面盡可能地擴散開，在仿生皮膚8個方向上分別布置8個注水針頭，使出汗時汗液能夠分散布滿整個仿生皮膚表面。

皮膚表層則由微孔復(fù)合膜和溫度傳感器構(gòu)成。微孔復(fù)合膜吸收并透過汗源層的汗液到仿生皮膚的表面，在表皮溫度過高時通過汗液蒸發(fā)達到降溫的目的。表層微孔膜較薄，能將熱量傳遞到仿生皮膚表面。溫度傳感器實時監(jiān)測表層溫度，反饋給控制系統(tǒng)。

1.3 內(nèi)核及表皮溫度控制

仿生皮膚內(nèi)核溫度模擬人體真皮層溫度，穩(wěn)定在36.8℃，允許±0.1℃的溫度波動，計算機按照設(shè)定值控制內(nèi)核升溫及其穩(wěn)態(tài)。而表皮溫度因為仿生皮膚三層微孔膜的特定厚度組合及其傳熱導(dǎo)濕特性，在內(nèi)核溫度升溫時，其延遲升溫并自穩(wěn)定在(33.5±0.3)℃的表皮穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)。控制示意圖如圖4所示。

圖4 內(nèi)核及表皮溫度控制示意圖

仿生皮膚受到外界環(huán)境影響而升溫時，通過模擬出汗調(diào)節(jié)表皮溫度。表皮溫度的出汗調(diào)節(jié)過程如圖5所示。當(dāng)紅外輻射作用在仿生皮膚上時，表皮溫度開始升高，溫度達到出汗閾值35℃時，計算機控制仿生皮膚出小汗，若皮膚表面的溫度傳感器檢測到溫度繼續(xù)上升至36℃時，仿生皮膚出大汗，表面積累的大量“汗水”蒸發(fā)，降溫帶走大部分熱量，經(jīng)過一段時間后，因為仿生皮膚微孔膜的特定厚度及其傳熱導(dǎo)濕特性，表皮溫度最終重新回歸穩(wěn)定值33.5℃。

圖5 仿生皮膚出汗時表皮溫度調(diào)節(jié)

根據(jù)仿生皮膚模型原理設(shè)定:①仿生皮膚內(nèi)核溫度變化范圍為(36.8±0.1)℃。②內(nèi)核溫度被控制在(36.8±0.1)℃內(nèi)時，表皮溫度不被調(diào)節(jié)時自動維持在(33.5±0.3)℃內(nèi)。③表皮溫度達到出汗閾值35℃、36℃時，仿生皮膚能夠分別出小汗、大汗。④表皮溫度升高時，皮膚模擬出汗能將溫度調(diào)節(jié)回(33.5±0.3)℃范圍內(nèi)。

2 溫度及出汗控制系統(tǒng)

2.1 仿生皮膚內(nèi)核溫度控制

2.1.1 內(nèi)核溫度控制硬件設(shè)計

仿生皮膚采用虛擬儀器NI9474數(shù)據(jù)輸出板卡作為溫度控制器，通過繼電器控制聚酰亞胺電加熱膜的通斷電，控制其升溫。NI9474為8通道數(shù)字輸出模塊，每個通道可輸出5 V～30 V電壓信號，用DO0一路通道控制繼電器；聚酰亞胺柔性電加熱膜厚度為0.4 mm，滿足仿生皮膚的厚度要求。

2.1.2 內(nèi)核溫度控制軟件設(shè)計

在采用傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制理論，通過基于模糊控制理論的PID控制對內(nèi)核溫度進行控制[25]。

圖6 傳統(tǒng)PID控制流程圖

傳統(tǒng)PID控制本質(zhì)上是一種閉環(huán)控制，主要由比例、積分、微分單元組成，控制器計算設(shè)定值與實測值之間的偏差，按照下式各單元間的運算，輸出控制量給執(zhí)行器，使被控量接近設(shè)定值。

式中:u(t)為控制量輸出，k p、T i、T d分別為比例、積分、微分系數(shù)，e(t)為偏差量。

內(nèi)核溫度控制流程如圖7所示，溫度傳感器檢測熱源層加熱膜的溫度，NI9217進行溫度采集，上位機計算溫度設(shè)定值與實測值之間的偏差e(t)及其變化率將偏差及變化率輸入到模糊控制中，通過三角隸屬函數(shù)進行模糊化處理后，再按照下式與控制規(guī)則R進行運算得到k p、k i、k d模糊矢量。其中k p的控制規(guī)則R如表1所示。表中，e為內(nèi)核溫度偏差信號的模糊矢量，ec為內(nèi)核溫度偏差變化率的模糊矢量，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB為e、ec、k p的模糊子集，分別表示為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

表1 比例系數(shù)的模糊控制規(guī)則

圖7 內(nèi)核溫度的模糊PID控制流程圖

式中:k p為比例系數(shù)的模糊矢量，e為內(nèi)核溫度偏差信號的模糊矢量，ec為內(nèi)核溫度偏差變化率的模糊矢量，R為根據(jù)經(jīng)驗得到的模糊控制規(guī)則，?為模糊關(guān)系的合成運算。

最后按照下式的最大隸屬度法進行反模糊化處理輸出k po、T io、Tdo控制量給PID控制器，通過PID控制輸出最終的控制量，控制電加熱膜加熱。

式中:k p為通過模糊推理得到的控制輸出，μk p為控制輸出的隸屬度值，k p i為第i個具有最大隸屬度的控制輸出，k po為模糊控制器的一個輸出，N為具有相同隸屬度輸出的總數(shù)。

內(nèi)核溫度的上位機軟件Labview程序如圖8所示，主要有溫度輸入、模糊化處理、模糊控制、PID控制、控制輸出等模塊。根據(jù)溫度設(shè)定值，通過模糊控制器模糊化PID控制器的控制參數(shù)，限制仿生皮膚內(nèi)核溫度的波動范圍，以滿足控制要求。

圖8 內(nèi)核溫度控制程序

2.2 仿生皮膚出汗控制

2.2.1 出汗控制硬件設(shè)計

仿生皮膚的出汗主要通過汗源、PTFE管路及接頭、電磁閥、微量柱塞泵、微量柱塞泵控制器等實現(xiàn)。汗源為35℃的恒溫水浴生理鹽水如圖9所示；電磁閥為二位二通式電磁閥，其得電失電控制出汗回路的通斷；微量柱塞泵控制器模擬不同的出汗情況(出大汗、小汗)，控制微量柱塞泵輸送不同的汗量。

圖9 恒溫生理鹽水汗源

出汗控制是根據(jù)計算機設(shè)定的出汗模式(出小汗、出大汗)及皮膚表溫度，通過RS485通信，將控制指令傳遞給微量柱塞泵控制器，排出不同量(出小汗一次(0.37±0.13)mL/100 cm2，出汗速率為0.03 mL/s、出大汗一次(1.15±0.21)mL/100 cm2，出汗速率為0.16 mL/s)的汗水到汗源層而實現(xiàn)的?？刂七^程機械結(jié)構(gòu)如圖10所示，計算機接受是否出汗及出汗量大小的命令，通過RS485將控制信息傳遞給微量柱塞泵控制器，進液口電磁閥打開，微量柱塞泵經(jīng)汗液管路從35℃恒溫生理鹽水汗源中抽取汗液，出液口電磁閥打開，微量柱塞泵將汗液輸送至三通接頭，汗液經(jīng)三通接頭分流后通過注水針頭進入仿生皮膚的汗源層，最后被表皮層吸收透出至表面。

圖10 出汗過程的機械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 出汗控制軟件設(shè)計

出汗控制的上位機程序如圖11所示，計算機通過串口通信，根據(jù)設(shè)定的出汗模式及仿生皮膚表皮溫度，選擇微量柱塞泵控制器的出汗模式，控制出汗，控制出汗流程如圖12所示。

圖11 出汗控制程序

圖12 出汗控制流程圖

若仿生皮膚表面溫度升高至出汗閾值，控制系統(tǒng)即控制皮膚出汗，汗液蒸發(fā)使表皮降溫。在出汗將升溫干擾減弱后，因為仿生皮膚自身微孔膜的特性，表皮溫度緩慢回歸到原先的穩(wěn)態(tài)值。通過出汗控制，實現(xiàn)皮膚表皮溫度調(diào)節(jié)。

3 實驗

3.1 皮膚膜選型實驗

皮膚模型的汗源上下層微孔膜分別具有阻隔汗水流到熱源層以防影響電路及將汗水透出到仿生皮膚表層的功能，而表層微孔膜要將汗水吸收并透出到仿生皮膚表面，它們還要將熱源層的熱量傳遞到皮膚表面，故其應(yīng)分別為親水、疏水、親水型膜，而且具有合適的熱傳導(dǎo)能力[22]。對可作為汗源層、表層薄膜的七種材質(zhì)進行隔水、吸水、透水、傳熱的選型實驗，實驗的環(huán)境溫度為(22±1)℃、相對濕度為(65±2)%RH。

根據(jù)微孔膜材質(zhì)的親水、傳熱特性實驗結(jié)果，將它們分為1到5級，5級代表親水、傳熱特性最好，如圖13所示。按照需求最終選擇5μm孔徑PTFE親水型膜、0.1μm孔徑阻水型PTFE膜、10μm孔徑Nylon薄膜分別作為汗源層上層、汗源層下層、皮膚表層的組成成分。

圖13 仿生皮膚的微孔膜選型實驗

進行各層微孔膜不同厚度的組合實驗。在內(nèi)核溫度被控制在(36.8±0.1)℃內(nèi)時，表皮溫度在實驗環(huán)境下不出汗的自然溫度應(yīng)為(33.5±0.3)℃，模擬在自然環(huán)境下人體表皮溫度。

根據(jù)表2厚度組合實驗結(jié)果表知，當(dāng)汗源上下層及表皮層膜分別為3 mm、1.8 mm、0.9 mm時，仿生皮膚的表皮溫度最佳，為33.5℃。

表2 不同微孔膜厚度組合對表皮溫度影響

最終選擇3 mm疏水型孔徑為0.1μm PTFE膜作為汗源層下層膜，用來隔絕汗水與熱源層接觸并起到隔熱作用；采用孔徑為5μm厚度為1.8 mm的PTFE親水型膜作為上層膜來吸收汗水；皮膚表層則采用孔徑為10μm厚度為0.9 mm的Nylon薄膜來透過汗水，供皮膚表層蒸發(fā)汗液，降低表皮溫度。

3.2 內(nèi)核溫度控制及表皮溫度調(diào)節(jié)實驗

3.2.1 仿生皮膚內(nèi)核溫度控制實驗

實驗的環(huán)境溫度為(22±1)℃、相對濕度為(65±2)%RH。實驗前將仿生皮膚靜置在實驗環(huán)境中24 h并將生理鹽水汗源的恒溫水浴箱打開待其升溫到35℃。在計算機上設(shè)置皮膚模型內(nèi)核溫度閾值為(36.8±0.1)℃。開始實驗，通過控制系統(tǒng)控制電加熱膜加熱，計算機采集并記錄內(nèi)核及表皮溫度數(shù)值，經(jīng)過10 min后完成一次實驗，共進行5組典型實驗。

3.2.2 出汗時表皮溫度調(diào)節(jié)實驗

實驗環(huán)境及準(zhǔn)備工作與內(nèi)核溫度控制實驗一樣，除此之外設(shè)置仿生皮膚出汗溫度閾值為35℃。開始實驗，當(dāng)通過計算機觀察到皮膚表皮溫度維持在33.5℃附近時，打開光源加入紅外輻射干擾。表皮溫度達到出汗溫度閾值開始出汗時，計算機采集并記錄出汗量及表皮溫度值，再經(jīng)過6 min后完成一次實驗，共進行5組典型實驗。

3.3 結(jié)果分析

從實驗數(shù)據(jù)中取點繪制皮膚內(nèi)核及表皮溫度如圖14所示。開始加熱后內(nèi)核溫度在80 s后進入穩(wěn)態(tài)，控制響應(yīng)快，溫度變化范圍為(36.8±0.1)℃，滿足仿生皮膚設(shè)計要。表皮溫度在140 s后達到穩(wěn)定，其熱量由內(nèi)核溫度傳遞，所以在時間上有所延遲，最終穩(wěn)定在33.5℃左右。這與人體皮膚在舒適環(huán)境下溫度情況相似。

圖14 仿生皮膚的內(nèi)核溫度控制

繪制出汗量及表皮溫度調(diào)節(jié)圖如圖15所示，仿生皮膚受到紅外輻射干擾，在167 s時升溫達到出汗閾值35℃，微量柱塞泵總共出三次小汗，每次出汗0.37 mL，平均出汗速率為0.03 mL/s，排出總量為1.11 mL的汗水到汗源層，因溫度繼續(xù)上升，柱塞泵出三次大汗，每次出汗1.15 mL，平均出汗速率為0.16 mL/s，排出總量3.45 mL的汗水，表皮溫度的上升減緩并呈現(xiàn)下降的趨勢。在210 s時表皮溫度開始下降，因皮膚表面積累了大量汗液，表皮溫度在汗液的蒸發(fā)作用下迅速下降，直至290 s時大部分汗液被蒸發(fā)掉，紅外輻射的干擾基本被抵消，此后溫度緩慢回到原先的穩(wěn)態(tài)值33.5℃。模擬出汗消除了紅外輻射的干擾，整個調(diào)節(jié)過程持續(xù)142 s，溫度調(diào)節(jié)時間較短，出汗響應(yīng)迅速。

圖15 仿生皮膚出汗時的表皮溫度調(diào)節(jié)

4 結(jié)論

本文提出了具有熱源層、汗源層及表皮層的三層結(jié)構(gòu)仿生皮膚，研究了仿生皮膚的溫度及出汗控制系統(tǒng)。采用模糊 PID控制內(nèi)核溫度在(36.8±0.1)℃內(nèi)變化，而表皮溫度在仿生皮膚3 mm疏水型PTFE下層膜、1.8 mm親水型PTFE上層膜、0.9 mm的Nylon微孔膜的厚度組合下自穩(wěn)定在(33.5±0.3)℃內(nèi)；當(dāng)有紅外輻射等干擾使表皮溫度升高時，通過出汗控制系統(tǒng)控制皮膚35℃時出小汗，36℃時出大汗，調(diào)節(jié)表皮溫度回歸到原先的穩(wěn)態(tài)。

相較于現(xiàn)有的仿生皮膚只模擬了皮膚表層，是單層結(jié)構(gòu)，不能模擬溫度調(diào)節(jié)，本文研究的仿生皮膚能夠綜合地模擬人體出汗及溫度調(diào)節(jié)過程，可應(yīng)用于紡織品熱濕傳遞及紅外管理特性的測試，模擬皮膚、紡織品及外界環(huán)境形成的微循環(huán)系統(tǒng)。