王桂友，楊宏偉，劉吉曉，孫 磊

( 1. 空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京 101422; 2. 河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130;3. 河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300132; 4. 河北工業(yè)大學(xué)河北省機器人感知與人機融合重點實驗室，天津 300132)

1 引言

在自然界中，觸覺是一種基本生存工具。即使是最簡單的生物都具有大量的機械性感受器來探索和響應(yīng)外界的各種刺激。就人類來說，觸覺感知對于操作、探測、響應(yīng)三種行為必不可少。觸覺對于操作的重要性在精細動作作業(yè)中體現(xiàn)最為明顯[1]。現(xiàn)如今，機器人技術(shù)快速發(fā)展，觸覺對于機器人來說同樣至關(guān)重要[2-4]。觸覺感知，可以讓機器人連續(xù)的接收關(guān)于材料和表面特征的觸覺信息，如硬度、熱傳導(dǎo)性、摩擦力、粗糙度等[5，6]，以幫助其更好的識別物體，但觸覺的發(fā)展遠遠落后于視聽覺，對于剪切力的檢測手段十分有限，因此對剪切力檢測的研究十分必要。Skedung等[7]發(fā)現(xiàn)人手指劃過表面時的觸覺，最小可以區(qū)分大約1061 nm的凸起。讓機器人擁有這樣的皮膚以獲得感知能力，是實現(xiàn)機器人智能化的關(guān)鍵所在[8]，同時也是機器人研發(fā)工作過程中的一大挑戰(zhàn)。

人體的指紋圖案可以將其表面的振動信號放大并精確感知紋理結(jié)構(gòu)[9-11]，Scheibert等[9]也發(fā)現(xiàn)人體皮膚中表皮層的表面脊結(jié)構(gòu)能提高觸覺感知的靈敏度。Hollins 和Risner[12]發(fā)現(xiàn)橫向相對運動在細密紋理的觸覺感知中占有非常重要的作用。人體皮膚中表皮層與真皮層之間的“乳頭脊”結(jié)構(gòu)[13-15]能對外界的刺激進行有效的放大，并將刺激傳遞給感受器[16]，但放大機理尚無解釋。已經(jīng)有研究證明，哺乳動物細胞中含有壓電蛋白，這種壓電蛋白作為機械刺激傳導(dǎo)的離子通道，對軀體感覺的機制以及剪切應(yīng)力的感知有重要的作用[17]。

本文基于仿生學(xué)原理，將人體皮膚的“乳頭脊”結(jié)構(gòu)簡化，構(gòu)建三種互鎖結(jié)構(gòu)的簡化模型，并以壓電PVDF薄膜為傳“機-電”信號轉(zhuǎn)換材料，研究不同結(jié)構(gòu)，不同尺寸和不同楊氏模量對剪切力放大作用的影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

人體皮膚是一個復(fù)雜的感覺系統(tǒng)，包含獨特的表皮層，真皮微結(jié)構(gòu)和四種感受器，表皮層與真皮層之間呈互鎖“乳頭脊”結(jié)構(gòu)，其解剖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 人體皮膚解剖圖

“乳頭脊”結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒂|覺刺激放大并傳遞給感受小體，其中，魯菲尼小體和默克爾小體為慢速感受器，對持續(xù)性觸摸和壓力做出反應(yīng)；梅娜森小體和帕奇尼小體為快速感受器，對動態(tài)觸摸和振動做出反應(yīng)。此外，人體皮膚具有壓電特性，這是源于極性角蛋白、彈性蛋白和具有獨特取向的膠原纖維的存在，這種多功能感知放大觸覺刺激的蛋白使得皮膚能夠精確的感知機械刺激。一些研究揭示了Piezo2蛋白在皮膚中默克爾細胞的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的關(guān)鍵作用[18，19]，最近的一項研究揭示了急性機械敏感物種-觸覺覓食鴨的鴨喙皮膚中存在許多機械末端感受器，而Piezo2陽性機械感受器細胞占神經(jīng)元群體的高達85%，進一步支持了這種蛋白質(zhì)在觸覺中的關(guān)鍵作用[20]。

受到“乳頭脊”結(jié)構(gòu)和皮膚壓電特性的啟發(fā)，設(shè)計了三種互鎖結(jié)構(gòu)的皮膚簡化模型，如圖2所示，分別是波浪結(jié)構(gòu)，方波結(jié)構(gòu)和梯形結(jié)構(gòu)以及對比的平面結(jié)構(gòu)。模型整體采用壓電式原理，本文利用此模型對皮膚的互鎖“乳頭脊”結(jié)構(gòu)的放大機理進行研究。

圖2 三層結(jié)構(gòu)簡化模型

所設(shè)計的簡化模型均為三層，中間層為壓電PVDF薄膜，厚度為30μm；上下兩層為帶有互鎖微結(jié)構(gòu)的模板，厚度各為3mm。

其工作原理是：簡化模型的上層表面受到剪切力時，上層將產(chǎn)生移動趨勢，上層由于移動而使中間層壓電PVDF薄膜產(chǎn)生應(yīng)變。PVDF薄膜因應(yīng)變內(nèi)部發(fā)生極化，于是在其上下表面會有電勢差。此時，PVDF薄膜輸出的電荷與應(yīng)變的關(guān)系滿足

Di=dijTj(i=1，2，3;j=1～6)

(1)

其中Di為電位移；dij為壓電常數(shù)；Tj為應(yīng)力。

壓電PVDF薄膜的電荷輸出是其各個方向的應(yīng)變在極化方向上共同作用的響應(yīng)，其電荷輸出滿足

Q=(d31ε1+d32ε2)EPVDFS

(2)

其中ε1和ε2為應(yīng)變；EPVDF為PVDF薄膜的彈性模量；S為PVDF薄膜的面積。

可以看出，壓電PVDF薄膜的電荷輸出值與橫向、縱向的應(yīng)變值有關(guān)。

3 仿真分析

3.1 PVDF壓電薄膜應(yīng)力分析

本文用COMSOL MULTIPHYSICS軟件對三種簡化模型進行仿真，約束條件為上層表面施加剪切力Fx和固定的預(yù)緊力Fy，下層固定，將PVDF薄膜的下表面接地。剪切力設(shè)置為0.5N-2.5N，步長0.5N；預(yù)緊力為固定值-4.7N。

仿真中波浪結(jié)構(gòu)模型PVDF薄膜受力分析如圖3所示。

對比平面結(jié)構(gòu)模型PVDF薄膜僅在預(yù)緊力作用下受力分析與圖3(b)相似，僅在剪切力作用下受力分析如圖4所示。

圖4 平面結(jié)構(gòu)PVDF薄膜受力分析

從仿真結(jié)果可以清楚的看到：波浪模型和平面模型只受預(yù)緊力作用時，PVDF薄膜內(nèi)部的應(yīng)力方向豎直向下；當(dāng)僅受剪切力作用時，波浪模型的PVDF薄膜內(nèi)部的應(yīng)力垂直于膜邊界，而平面模型的PVDF薄膜只有兩端處的應(yīng)力方向垂直于膜，其余部分沿著薄膜分布；當(dāng)剪切力和預(yù)緊力同時作用時，波浪模型的PVDF薄膜內(nèi)部的應(yīng)力方向交替分布，一部分應(yīng)力沿著薄膜邊界，如圖3(c)中紅色框所示，另一部分基本垂直于膜的邊界，如圖3(c)中綠色框所示。

圖3 波浪形PVDF薄膜受力分析圖

仿真中波浪結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖如圖5所示。

圖5 波浪結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖

仿真中PVDF薄膜內(nèi)部的極化分布由圖6所示。

圖6 PVDF薄膜內(nèi)部極化分布圖

由圖6可知，平面結(jié)構(gòu)下PVDF薄膜僅在正壓力作用時和僅在剪切力作用時的極化變化很??；而在波浪結(jié)構(gòu)中，PVDF薄膜僅在剪切力作用時的極化累積值約是僅在正壓力作用時的100倍。圖5中PVDF薄膜在波浪結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力值是在平面結(jié)構(gòu)下的大約100倍。由此可得出，波浪結(jié)構(gòu)對剪切力有一定的放大作用，而平面結(jié)構(gòu)沒有。

3.2 結(jié)構(gòu)、尺寸和材料對放大效果的影響

在分析了PVDF薄膜內(nèi)部應(yīng)力及極化分布的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)、尺寸和楊氏模量三個影響放大效果的因素也進行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。由于實驗中所用PVDF薄膜上下兩層均勻涂覆電極，整個面作為一個等勢面，所以比較平均電勢。

圖7 仿真分析

從仿真結(jié)果來看：相同尺寸的不同結(jié)構(gòu)在同一剪切力下的放大效果稍有差異；同一結(jié)構(gòu)隨著尺寸(h為結(jié)構(gòu)的深度，mm)的增大放大效果會降低；對于同一尺寸同一結(jié)構(gòu)所用的材料楊氏模量越高，放大效果越差。

4 實驗對比分析

本實驗在室溫下進行，實驗平臺及其連接如圖8所示，包括電荷放大器，PC端，六維力傳感器及實驗輔助裝置。

圖8 實驗平臺

實驗中采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為施加的剪切力，剪切力分別為0.5N，1N和2N，預(yù)緊力固定值-4.7N。實驗中的壓電PVDF薄膜因應(yīng)變引起極化從而產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器輸出并存儲，而后由計算機進行處理分析。

本實驗采用同一片PVDF薄膜進行實驗，為減小實驗誤差，對每組進行多次實驗，得出PVDF薄膜的輸出電荷量與剪切力之間的關(guān)系圖。

為探究皮膚表皮層與真皮層的“乳頭脊”結(jié)構(gòu)對觸覺刺激的放大作用，本文對設(shè)計的三種簡化結(jié)構(gòu)模型進行實驗，并將所設(shè)計的三種簡化結(jié)構(gòu)模型與平面結(jié)構(gòu)的模型進行對比，得到的PVDF薄膜產(chǎn)生的電荷量與剪切力關(guān)系圖如圖9所示。

圖9 PVDF薄膜在四種結(jié)構(gòu)下輸出的電荷值

圖10 不同材料結(jié)構(gòu)PVDF薄膜輸出電荷值

圖11 波浪結(jié)構(gòu)三種尺寸下PVDF薄膜輸出電荷值

由實驗數(shù)據(jù)可以得到：本文設(shè)計的三種模擬皮膚“乳頭脊”結(jié)構(gòu)的模型相比平面結(jié)構(gòu)在同一剪切力下輸出的電荷值大得多，從而進一步驗證了互鎖褶皺微結(jié)構(gòu)對剪切力信號的放大作用，這與皮膚的“乳頭脊”結(jié)構(gòu)功能一致。除此之外，結(jié)構(gòu)的尺寸和材料的楊氏模量，對放大效果的影響亦不容忽視。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了三種互鎖微結(jié)構(gòu)的簡化模型，基于壓電PVDF薄膜的壓電特性，對皮膚中表皮層與真皮層之間的“乳頭脊”結(jié)構(gòu)的觸覺放大機理進行研究。分析了PVDF壓電薄膜在不同結(jié)構(gòu)和不同受力情況下內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，通過對比平面結(jié)構(gòu)和其余三種結(jié)構(gòu)在相同條件下PVDF薄膜上下兩層的平均電勢或輸出的電荷值，證明了本文設(shè)計的三種結(jié)構(gòu)具有觸覺放大功能，由此可以推測人體皮膚的觸覺放大機理與本文分析過程相似。本文還分析了結(jié)構(gòu)、尺寸及楊氏模量對放大效果的影響。

本文關(guān)于皮膚的觸覺感知機理研究對于觸覺仿真皮膚的研發(fā)、機器人的精細觸覺、虛擬現(xiàn)實以及醫(yī)學(xué)等方面具有不可估量的重要意義。