王桂友，杨宏伟，刘吉晓，孙 磊

( 1. 空军特色医学中心，北京 101422; 2. 河北工业大学机械工程学院，天津 300130;3. 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300132; 4. 河北工业大学河北省机器人感知与人机融合重点实验室，天津 300132)

1 引言

在自然界中，触觉是一种基本生存工具。即使是最简单的生物都具有大量的机械性感受器来探索和响应外界的各种刺激。就人类来说，触觉感知对于操作、探测、响应三种行为必不可少。触觉对于操作的重要性在精细动作作业中体现最为明显[1]。现如今，机器人技术快速发展，触觉对于机器人来说同样至关重要[2-4]。触觉感知，可以让机器人连续的接收关于材料和表面特征的触觉信息，如硬度、热传导性、摩擦力、粗糙度等[5，6]，以帮助其更好的识别物体，但触觉的发展远远落后于视听觉，对于剪切力的检测手段十分有限，因此对剪切力检测的研究十分必要。Skedung等[7]发现人手指划过表面时的触觉，最小可以区分大约1061 nm的凸起。让机器人拥有这样的皮肤以获得感知能力，是实现机器人智能化的关键所在[8]，同时也是机器人研发工作过程中的一大挑战。

人体的指纹图案可以将其表面的振动信号放大并精确感知纹理结构[9-11]，Scheibert等[9]也发现人体皮肤中表皮层的表面脊结构能提高触觉感知的灵敏度。Hollins 和Risner[12]发现横向相对运动在细密纹理的触觉感知中占有非常重要的作用。人体皮肤中表皮层与真皮层之间的“乳头脊”结构[13-15]能对外界的刺激进行有效的放大，并将刺激传递给感受器[16]，但放大机理尚无解释。已经有研究证明，哺乳动物细胞中含有压电蛋白，这种压电蛋白作为机械刺激传导的离子通道，对躯体感觉的机制以及剪切应力的感知有重要的作用[17]。

本文基于仿生学原理，将人体皮肤的“乳头脊”结构简化，构建三种互锁结构的简化模型，并以压电PVDF薄膜为传“机-电”信号转换材料，研究不同结构，不同尺寸和不同杨氏模量对剪切力放大作用的影响。

2 结构设计及原理

人体皮肤是一个复杂的感觉系统，包含独特的表皮层，真皮微结构和四种感受器，表皮层与真皮层之间呈互锁“乳头脊”结构，其解剖结构如图1所示。

图1 人体皮肤解剖图

“乳头脊”结构能够将触觉刺激放大并传递给感受小体，其中，鲁菲尼小体和默克尔小体为慢速感受器，对持续性触摸和压力做出反应；梅娜森小体和帕奇尼小体为快速感受器，对动态触摸和振动做出反应。此外，人体皮肤具有压电特性，这是源于极性角蛋白、弹性蛋白和具有独特取向的胶原纤维的存在，这种多功能感知放大触觉刺激的蛋白使得皮肤能够精确的感知机械刺激。一些研究揭示了Piezo2蛋白在皮肤中默克尔细胞的机械转导中的关键作用[18，19]，最近的一项研究揭示了急性机械敏感物种-触觉觅食鸭的鸭喙皮肤中存在许多机械末端感受器，而Piezo2阳性机械感受器细胞占神经元群体的高达85%，进一步支持了这种蛋白质在触觉中的关键作用[20]。

受到“乳头脊”结构和皮肤压电特性的启发，设计了三种互锁结构的皮肤简化模型，如图2所示，分别是波浪结构，方波结构和梯形结构以及对比的平面结构。模型整体采用压电式原理，本文利用此模型对皮肤的互锁“乳头脊”结构的放大机理进行研究。

图2 三层结构简化模型

所设计的简化模型均为三层，中间层为压电PVDF薄膜，厚度为30μm；上下两层为带有互锁微结构的模板，厚度各为3mm。

其工作原理是：简化模型的上层表面受到剪切力时，上层将产生移动趋势，上层由于移动而使中间层压电PVDF薄膜产生应变。PVDF薄膜因应变内部发生极化，于是在其上下表面会有电势差。此时，PVDF薄膜输出的电荷与应变的关系满足

Di=dijTj(i=1，2，3;j=1～6)

(1)

其中Di为电位移；dij为压电常数；Tj为应力。

压电PVDF薄膜的电荷输出是其各个方向的应变在极化方向上共同作用的响应，其电荷输出满足

Q=(d31ε1+d32ε2)EPVDFS

(2)

其中ε1和ε2为应变；EPVDF为PVDF薄膜的弹性模量；S为PVDF薄膜的面积。

可以看出，压电PVDF薄膜的电荷输出值与横向、纵向的应变值有关。

3 仿真分析

3.1 PVDF压电薄膜应力分析

本文用COMSOL MULTIPHYSICS软件对三种简化模型进行仿真，约束条件为上层表面施加剪切力Fx和固定的预紧力Fy，下层固定，将PVDF薄膜的下表面接地。剪切力设置为0.5N-2.5N，步长0.5N；预紧力为固定值-4.7N。

仿真中波浪结构模型PVDF薄膜受力分析如图3所示。

对比平面结构模型PVDF薄膜仅在预紧力作用下受力分析与图3(b)相似，仅在剪切力作用下受力分析如图4所示。

图4 平面结构PVDF薄膜受力分析

从仿真结果可以清楚的看到：波浪模型和平面模型只受预紧力作用时，PVDF薄膜内部的应力方向竖直向下；当仅受剪切力作用时，波浪模型的PVDF薄膜内部的应力垂直于膜边界，而平面模型的PVDF薄膜只有两端处的应力方向垂直于膜，其余部分沿着薄膜分布；当剪切力和预紧力同时作用时，波浪模型的PVDF薄膜内部的应力方向交替分布，一部分应力沿着薄膜边界，如图3(c)中红色框所示，另一部分基本垂直于膜的边界，如图3(c)中绿色框所示。

图3 波浪形PVDF薄膜受力分析图

仿真中波浪结构和平面结构的应力分布图如图5所示。

图5 波浪结构与平面结构的应力分布图

仿真中PVDF薄膜内部的极化分布由图6所示。

图6 PVDF薄膜内部极化分布图

由图6可知，平面结构下PVDF薄膜仅在正压力作用时和仅在剪切力作用时的极化变化很小；而在波浪结构中，PVDF薄膜仅在剪切力作用时的极化累积值约是仅在正压力作用时的100倍。图5中PVDF薄膜在波浪结构下的应力值是在平面结构下的大约100倍。由此可得出，波浪结构对剪切力有一定的放大作用，而平面结构没有。

3.2 结构、尺寸和材料对放大效果的影响

在分析了PVDF薄膜内部应力及极化分布的基础上，对结构、尺寸和杨氏模量三个影响放大效果的因素也进行了仿真，仿真结果如图7所示。由于实验中所用PVDF薄膜上下两层均匀涂覆电极，整个面作为一个等势面，所以比较平均电势。

图7 仿真分析

从仿真结果来看：相同尺寸的不同结构在同一剪切力下的放大效果稍有差异；同一结构随着尺寸(h为结构的深度，mm)的增大放大效果会降低；对于同一尺寸同一结构所用的材料杨氏模量越高，放大效果越差。

4 实验对比分析

本实验在室温下进行，实验平台及其连接如图8所示，包括电荷放大器，PC端，六维力传感器及实验辅助装置。

图8 实验平台

实验中采用标准砝码作为施加的剪切力，剪切力分别为0.5N，1N和2N，预紧力固定值-4.7N。实验中的压电PVDF薄膜因应变引起极化从而产生电荷，经电荷放大器输出并存储，而后由计算机进行处理分析。

本实验采用同一片PVDF薄膜进行实验，为减小实验误差，对每组进行多次实验，得出PVDF薄膜的输出电荷量与剪切力之间的关系图。

为探究皮肤表皮层与真皮层的“乳头脊”结构对触觉刺激的放大作用，本文对设计的三种简化结构模型进行实验，并将所设计的三种简化结构模型与平面结构的模型进行对比，得到的PVDF薄膜产生的电荷量与剪切力关系图如图9所示。

图9 PVDF薄膜在四种结构下输出的电荷值

图10 不同材料结构PVDF薄膜输出电荷值

图11 波浪结构三种尺寸下PVDF薄膜输出电荷值

由实验数据可以得到：本文设计的三种模拟皮肤“乳头脊”结构的模型相比平面结构在同一剪切力下输出的电荷值大得多，从而进一步验证了互锁褶皱微结构对剪切力信号的放大作用，这与皮肤的“乳头脊”结构功能一致。除此之外，结构的尺寸和材料的杨氏模量，对放大效果的影响亦不容忽视。

5 结论

本文设计了三种互锁微结构的简化模型，基于压电PVDF薄膜的压电特性，对皮肤中表皮层与真皮层之间的“乳头脊”结构的触觉放大机理进行研究。分析了PVDF压电薄膜在不同结构和不同受力情况下内部的应力分布情况，通过对比平面结构和其余三种结构在相同条件下PVDF薄膜上下两层的平均电势或输出的电荷值，证明了本文设计的三种结构具有触觉放大功能，由此可以推测人体皮肤的触觉放大机理与本文分析过程相似。本文还分析了结构、尺寸及杨氏模量对放大效果的影响。

本文关于皮肤的触觉感知机理研究对于触觉仿真皮肤的研发、机器人的精细触觉、虚拟现实以及医学等方面具有不可估量的重要意义。