基于仿生結(jié)構(gòu)的剪切力放大機(jī)理研究

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(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300132; 4. 河北工業(yè)大學(xué)河北省機(jī)器人感知與人機(jī)融合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(xì)動作作業(yè)中體現(xiàn)最為明顯[1]。現(xiàn)如今，機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，觸覺對于機(jī)器人來說同樣至關(guān)重要[2-4]。觸覺感知，可以讓機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)器人擁有這樣的皮膚以獲得感知能力，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的關(guān)鍵所在[8]，同時也是機(jī)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(yùn)動在細(xì)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(jìn)行有效的放大，并將刺激傳遞給感受器[16]，但放大機(jī)理尚無解釋。已經(jīng)有研究證明，哺乳動物細(xì)胞中含有壓電蛋白，這種壓電蛋白作為機(jī)械刺激傳導(dǎo)的離子通道，對軀體感覺的機(jī)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(jī)-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(dú)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(dú)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(jī)械刺激。一些研究揭示了Piezo2蛋白在皮膚中默克爾細(xì)胞的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的關(guān)鍵作用[18，19]，最近的一項(xiàng)研究揭示了急性機(jī)械敏感物種-觸覺覓食鴨的鴨喙皮膚中存在許多機(jī)械末端感受器，而Piezo2陽性機(jī)械感受器細(xì)胞占神經(jīng)元群體的高達(dá)85%，進(jìn)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(jī)理進(jìn)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(jìn)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小；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(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。由于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對比分析

本實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)輔助裝置。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)進(jìn)行處理分析。

本實(shí)驗(yàn)采用同一片PVDF薄膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，對每組進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)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(jī)理進(jìn)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(jī)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(jī)理研究對于觸覺仿真皮膚的研發(fā)、機(jī)器人的精細(xì)觸覺、虛擬現(xiàn)實(shí)以及醫(yī)學(xué)等方面具有不可估量的重要意義。