人體皮膚摩擦行為的研究進(jìn)展及其挑戰(zhàn)1)

韋慧心 * 王世斌 * 李林安 * 王志勇 * 李傳崴 *

*(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300354)

?(南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院，南昌 330031)

皮膚覆蓋人體表面，直接與外界環(huán)境接觸，保護(hù)著體內(nèi)各組織器官免受物理、化學(xué)、機(jī)械和病原微生物的侵襲，是人體抵御外界環(huán)境的第一道防線。日常生活中，皮膚會(huì)因勞動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、保暖、健康和美容等需求接觸多種材料，從而產(chǎn)生皮膚摩擦問題。對(duì)皮膚摩擦行為的深入研究，將推動(dòng)化妝品、醫(yī)學(xué)、觸覺傳感器、機(jī)器人等眾多領(lǐng)域的發(fā)展，近年來受到越來越多的關(guān)注[1]。

皮膚摩擦在生活中隨處可見，人類一天中洗澡、剃胡須、皮膚護(hù)理、觸摸物體、挑選織物以及穿衣服等行為都離不開皮膚摩擦學(xué)[2]。皮膚的摩擦學(xué)特性不僅能評(píng)價(jià)護(hù)膚產(chǎn)品的使用效果[3-5]、織物的舒適性[6-8]，而且有助于研究皮膚病理學(xué)等相關(guān)熱點(diǎn)話題[9-14]。例如，織物領(lǐng)域，為了避免人類運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生水皰和潰瘍[15]，必須著重研究腳底皮膚、襪子和鞋之間的摩擦行為[16]。病理學(xué)評(píng)估方面，皮膚的摩擦特性已經(jīng)被用于研究個(gè)體皮膚病過程[1]。此外，皮膚的摩擦行為與觸覺感知息息相關(guān)[17-18]，人類不僅能夠利用皮膚觸覺識(shí)別不同表面特征、空間特征、材料屬性的物體，還能基于觸覺檢測(cè)物體滑脫，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知物體的精準(zhǔn)抓握和靈活操作。2020 年9 月美國計(jì)算機(jī)社區(qū)聯(lián)盟發(fā)布第四版《機(jī)器人路線圖：從互聯(lián)網(wǎng)到機(jī)器人》[19]，明確指出未來15 年目標(biāo)是研制和發(fā)展復(fù)雜機(jī)器手，其功能接近人類皮膚觸覺。理解皮膚觸覺正是進(jìn)一步推動(dòng)精細(xì)化機(jī)器觸覺的前提，其關(guān)鍵在于對(duì)皮膚接觸力學(xué)和摩擦行為的深入研究[20]。

作為一種生物材料，人體皮膚有著復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，使其具備非線性、黏彈性、各向異性以及非均勻性等復(fù)雜的力學(xué)特性，在法向及切向力下呈現(xiàn)出“小載荷，大響應(yīng)”特點(diǎn)，這些特性與皮膚的摩擦性能息息相關(guān)。此外，自身因素和外界因素都會(huì)影響皮膚摩擦性能。內(nèi)部因素包括年齡、性別、健康狀況以及解剖部位等，外部因素包括滑動(dòng)速度、接觸物體材質(zhì)、化妝品和潤滑劑以及壓力等。然而，日常生活中摩擦行為無法直接表征，通常需要基于儀器化的設(shè)備來模擬皮膚和物體的接觸摩擦過程，進(jìn)而收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到表征目的。表征過程還必須結(jié)合皮膚摩擦的理論模型，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和確定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)值模擬方法近年來被引入，與實(shí)驗(yàn)和理論方法形成補(bǔ)充，大大提高了研究效率。因此，本文圍繞人體皮膚的摩擦問題，將從解剖結(jié)構(gòu)、理論模型、實(shí)驗(yàn)手段、數(shù)值仿真以及影響因素等多個(gè)方面介紹其研究進(jìn)展，最后提出一些有趣的討論和未來研究方向。

1 人體皮膚的解剖結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)特征

皮膚是人體最大的組織器官，起到保護(hù)內(nèi)部組織和器官的作用。它由3 個(gè)主要部分構(gòu)成：表皮層、真皮層和皮下組織，如圖1 所示[21]。這些組織主要由細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，其體積占比非常顯著，約占皮膚總重量的75%。此外，不同組織內(nèi)其他組分存在較大差異。皮膚每一層微觀結(jié)構(gòu)都不相同，并且有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特性，共同發(fā)揮著保護(hù)、感知、調(diào)節(jié)體溫和維持身體完整性等重要功能。

圖1 皮膚的解剖結(jié)構(gòu)Fig.1 The anatomical structure of human skin

表皮層是皮膚的最外層，最薄處為眼瞼區(qū)域，其厚度約為0.05 mm，手掌和腳掌處較厚，甚至能達(dá)到0.80～1.50 mm。該層從外到內(nèi)的組成為：角質(zhì)層、透明層（僅分布于手掌和腳掌）、顆粒層、有棘層和基底層[22-23]。基底層包含了不斷分裂的基底母細(xì)胞、影響皮膚免受紫外線輻射的黑色素母細(xì)胞和少量作為軟觸覺傳感器的Merkel細(xì)胞[24-26]。有棘層主要由4～8 層帶棘突的多角形細(xì)胞構(gòu)成，為基底層提供必要的營養(yǎng)成分。顆粒層含有2～3 個(gè)細(xì)胞層，不斷分泌脂質(zhì)和蛋白質(zhì)到細(xì)胞外空間，形成一個(gè)疏水的脂質(zhì)包膜作為皮膚的主要機(jī)械屏障。角質(zhì)層位于皮膚最外層，直接和外部環(huán)境接觸，主要由約20 層堅(jiān)硬、扁平、無細(xì)胞核的死亡細(xì)胞組成。盡管角質(zhì)層厚度僅10 μm 左右，但其在皮膚摩擦性能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[27-28]。表皮層具有防止水分流失和外界物質(zhì)侵入的作用，并參與調(diào)節(jié)體溫，其微觀結(jié)構(gòu)和摩擦性能在抓握物體和皮膚接觸過程中具有重要的作用。

外力作用下真皮層的力學(xué)性能極其關(guān)鍵，真皮層厚度為表皮層的數(shù)十倍，眼瞼厚度約為0.60 mm，背部、手掌和腳掌厚度約為3 mm。真皮層主要由兩層組成，乳頭層位于淺層，其特點(diǎn)是厚度薄且纖維細(xì)密，內(nèi)含豐富的毛細(xì)血管、淋巴管、神經(jīng)末梢及觸覺感受器等；網(wǎng)狀層位于深層，較厚且纖維粗大交織成網(wǎng)，并含有較大的血管、淋巴管及神經(jīng)等。真皮層主要由纖維狀蛋白質(zhì)、基質(zhì)和細(xì)胞組成[29-31]。其中，膠原蛋白（占真皮層的80%～90%）和彈性蛋白（3%～6%）是提供皮膚優(yōu)異力學(xué)性能的主要成分。由于纖維狀蛋白質(zhì)的存在，真皮層通常被看成正交各向異性或者是纖維增強(qiáng)材料。此外，真皮層含有大量的毛細(xì)血管以及較大的動(dòng)脈和靜脈血管，這些血管含有大量的血紅蛋白，同樣影響著皮膚的宏觀力學(xué)性能。

皮膚最內(nèi)層是皮下組織[23]（一些研究不將其視為皮膚的一部分），其主要成分是脂肪細(xì)胞，中間含有豐富的血管、淋巴管、神經(jīng)和表情肌。其厚度在不同部位存在顯著的差異，例如在臀部和大腿等區(qū)域相對(duì)較厚，而在手腕和腳踝等區(qū)域相對(duì)較薄。這種厚度差異是維持皮膚整體彈性和形態(tài)的重要因素之一。

1.2 生理學(xué)特征

皮膚中分布著大量的觸覺感受器以感知外界環(huán)境的復(fù)雜變化。例如，人類指尖每平方厘米觸覺感受器數(shù)目高達(dá)240 個(gè)，整只人手存在超過17 000 個(gè)感受器，如圖2 所示。這些觸覺傳感器主要包括4 種類型[32-34]：①慢適應(yīng)感受器I 型（SA I）傳入，以Merkel 細(xì)胞結(jié)束，其對(duì)外部刺激的響應(yīng)頻率為1～16 Hz，對(duì)低頻振動(dòng)和精細(xì)觸覺敏感；②快適應(yīng)感受器I 型（FA I）傳入，以Meissner 小體結(jié)束，其響應(yīng)頻率為3～60 Hz，對(duì)靜態(tài)皮膚壓痕不敏感，但能較好地識(shí)別皮膚動(dòng)態(tài)變形；③快適應(yīng)感受器II 型（FA II）傳入，以Pacinian 小體結(jié)束，其在很寬的頻率范圍內(nèi)（40～500 Hz）響應(yīng)，對(duì)壓力和高頻振動(dòng)反應(yīng)非常敏感；④慢適應(yīng)感受器 II 型（SA II）傳入，終止于Ruffini 末梢，可以在非常低的頻率范圍內(nèi)（一般為幾赫茲）被激發(fā)，對(duì)皮膚拉伸敏感。這些觸覺感受器在位置、形態(tài)、功能上各不相同，感知外部刺激時(shí)發(fā)揮著不同的作用，一些對(duì)變形敏感（靜態(tài)觸摸），另一些對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)敏感（動(dòng)態(tài)觸摸），共同構(gòu)成了人體復(fù)雜而高效的觸覺系統(tǒng)。Merkel 細(xì)胞和Meissner 小體位于皮膚淺層，Pacinian 小體和Ruffini 末梢嵌入更深。Merkel 細(xì)胞主要分布在真皮層中，并有少部分分散在表皮層。真皮層不僅分散著Merkel 小體，還有其他3 種觸覺感受器。Meissner 小體接近表皮層，長度為30～140 μm，直徑為40～60 μm，呈橢圓形，橢圓短軸平行于皮膚表面。壓覺感受器的Pacinian 小體也存在于皮下組織中，與深部感覺有著密切關(guān)系，對(duì)瞬時(shí)刺激非常敏感。

2 皮膚的摩擦性能的研究方法

2.1 摩擦理論

早期研究發(fā)現(xiàn)皮膚與其他物體的摩擦滿足庫倫定律[35]。庫侖摩擦定律是指兩個(gè)表面之間摩擦力F跟表面的接觸面積無關(guān)，而與作用在摩擦面上的正壓力FN成正比，斜率被定義為摩擦系數(shù)μ，是評(píng)定摩擦性能的重要參數(shù)，表達(dá)式為

目前庫倫摩擦定律在織物舒適性研究方向仍然應(yīng)用廣泛[36-37]，例如，Morrow[38]采用摩擦系數(shù)μ來表征織物和皮膚之間的摩擦特性。隨著研究的不斷深入，皮膚類軟材料表現(xiàn)出顯著的非庫倫特性，越來越多的學(xué)者嘗試基于臨界剪切應(yīng)力τ 和接觸面積A共同確定界面摩擦力[39]

該模型主要考慮摩擦過程中的黏著特性。對(duì)于軟材料，Greenwood 等[40]認(rèn)為變形損耗在摩擦過程發(fā)揮著較大貢獻(xiàn)，不能忽略。Bowden 等[41]經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，建立了較完善的兩項(xiàng)摩擦理論，對(duì)于現(xiàn)代摩擦學(xué)理論發(fā)展具有重要意義。該研究認(rèn)為摩擦力F可以表示為黏著分量Fint和形變分量Fdef的總和

皮膚同樣表現(xiàn)出大變形和黏彈性特性，Adams等[42]將兩項(xiàng)摩擦理論用于皮膚，確定了皮膚和壓頭之間的摩擦系數(shù)。其中，黏著機(jī)理被認(rèn)為是人體皮膚摩擦的主要因素，而變形機(jī)理被認(rèn)為起著次要作用[42-43]。一些研究推導(dǎo)了黏彈性材料的二維接觸理論，例如圓柱/平面的滑移和滾動(dòng)模型[44-49]。這些模型無法解釋三維摩擦現(xiàn)象，例如手指和物體之間的摩擦問題[50]?；诖?，科研人員開始致力于提出能夠用于各向同性以及各向異性材料的三維滑動(dòng)和滾動(dòng)的摩擦理論[40,51-56]，盡管目前相關(guān)模型仍不完善。

研究皮膚的摩擦問題時(shí)，接觸面積的確定非常關(guān)鍵。對(duì)于球形/平面三維接觸問題，接觸面積A對(duì)法向載荷的依賴性可以用Hertz 模型[57]描述

式中，E?為兩種材料的等效彈性模量，R為球形壓頭半徑。然而，Hertz 模型是在線彈性小變形假設(shè)條件下建立的，在描述皮膚類軟材料的大變形響應(yīng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較大偏差。Sneddon[58]推導(dǎo)了考慮幾何非線性的接觸理論模型，其結(jié)果與軟材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近。Derjaguin 等[59]認(rèn)為接觸區(qū)域外固體表面存在黏著力，提出了Derjaguin–Muller–Toporov（DMT）接觸理論，接觸面積A可以寫成

式中，F(xiàn)adh為黏著力。與DMT 理論不同，Greenwood 等[60]和Johnson 等[61]忽略了接觸區(qū)域外的黏附行為，而是考慮接觸區(qū)域內(nèi)的黏著力，認(rèn)為接觸邊緣的彈性應(yīng)力是無限大的，提出了經(jīng)典的Johnson–Kendall–Roberts（JKR）接觸模型

Maugis[62]將接觸區(qū)域外的黏著力表示為階躍函數(shù)，給出了介于JKR 和DMT 模型的過渡解。Hertz 模型、JKR 模型以及DMT 模型等都被證明在一定程度上能夠研究皮膚和球形壓頭的接觸問題[63-66]。然而，這些研究通常假設(shè)接觸區(qū)域?yàn)閳A形，實(shí)際上由于這些材料“小載荷，大變形”的力學(xué)特性，摩擦過程中會(huì)出現(xiàn)面積縮減、接觸各向異性等效應(yīng)。為了考慮這種不規(guī)則接觸形狀，逐漸發(fā)展了基于斷裂力學(xué)[67-70]和有限變形[71]方法的摩擦理論模型。

上述摩擦和接觸理論主要用于動(dòng)摩擦階段皮膚類軟材料摩擦行為的研究，而針對(duì)靜摩擦的理論模型非常少。Deladi 等[72]和Barquins[73]建立了橡膠–金屬材料的靜摩擦模型，能夠描述軟材料摩擦過程中的黏滑現(xiàn)象。Sahli 等[74]提供了一種全新思路，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來描述靜摩擦階段面積隨著切向力的演化規(guī)律

式中，A0為F=0 時(shí)的初始接觸面積，α為擬合參數(shù)。

這些接觸模型主要針對(duì)均勻區(qū)域的理想模型，而真實(shí)的人體皮膚表面是粗糙的。由于個(gè)體和解剖部位的差異，人體皮膚的粗糙度在10～200 μm范圍內(nèi)變化。粗糙表面實(shí)際上是由大小不一的微凸體組成，接觸通常認(rèn)為是發(fā)生在這些微凸體上，導(dǎo)致真實(shí)接觸面積與理論值相差較大。基于此，近年來學(xué)者們提出了一些粗糙表面的接觸模型，旨在更真實(shí)地模擬接觸狀態(tài)[75-79]。Greenwood等[80]將兩個(gè)粗糙表面的接觸等效為1 個(gè)光滑的剛性平面和1 個(gè)粗糙表面的接觸，提出了基于統(tǒng)計(jì)的Greenwood–Williamson（GW）接觸模型

式中，σs和R?分別是微凸體高度分布的標(biāo)準(zhǔn)差和曲率半徑平均值。該模型為研究粗糙表面之間的接觸理論奠定了基礎(chǔ)，至今仍被廣泛接受和應(yīng)用，同樣也適用于皮膚的接觸模型[81]。值得一提的是，式(7)對(duì)應(yīng)的靜摩擦模型對(duì)于粗糙表面的接觸問題依然成立[74]。

由于表面紋理的影響，皮膚摩擦還表現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的特性。1925 年，Katz[82]同時(shí)考慮粗糙紋理的“空間感”和精細(xì)紋理的“振動(dòng)感”，提出了皮膚觸覺感知的雙工模型[83-84]。由于人類皮膚與物體表面接觸過程中表面紋理與振動(dòng)信號(hào)功率譜之間關(guān)系密切，一些學(xué)者基于摩擦力和振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律，提出了考慮摩擦振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型[85-86]。除了表面紋理外，摩擦過程中速度和剛度[87]、扭轉(zhuǎn)剛度和角速度[88]、接觸應(yīng)力和拓?fù)鋄89]、阻尼[90-92]導(dǎo)致的黏滑現(xiàn)象[93]同樣會(huì)引起振動(dòng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

皮膚作為一種活體組織，在機(jī)械力下會(huì)做出反應(yīng)和適應(yīng)，例如產(chǎn)生汗液、釋放生物標(biāo)志物，甚至產(chǎn)生水泡或傷口。皮膚這種特殊的摩擦特性依賴于個(gè)人特征和解剖特征。由于皮膚相互作用的復(fù)雜性，許多潛在的物理機(jī)制仍有待發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于理解皮膚摩擦學(xué)非常關(guān)鍵[94]。本文主要從相對(duì)運(yùn)動(dòng)類型和應(yīng)用范圍對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)方法進(jìn)行介紹。

2.2.1 相對(duì)運(yùn)動(dòng)類型分類

自20 世紀(jì)60 年代，隨著各行各業(yè)對(duì)皮膚摩擦行為研究的高度關(guān)注，學(xué)者們發(fā)展了各種各樣的實(shí)驗(yàn)方法來評(píng)估皮膚的摩擦行為。按照皮膚和摩擦設(shè)備的相關(guān)類型可以分為4 種，分別是：滑動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、滾動(dòng)以及自驅(qū)動(dòng)[27]，如圖3 所示。

（1）滑動(dòng)?；瑒?dòng)是摩擦學(xué)中最常用的概念，通常通過控制不同材料和不同形狀的壓頭進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)或者往復(fù)運(yùn)動(dòng)滑過受試者皮膚實(shí)現(xiàn)加載，如圖4(a)所示。皮膚與物體接觸時(shí)，往往通過滑動(dòng)行為來感知物體，是生活中最常見的一種形式，包括皮膚與織物舒適性評(píng)估、手與物體抓握行為等。Naylor[95]設(shè)計(jì)了一臺(tái)恒定速度和恒定垂直載荷的摩擦儀，能夠連續(xù)記錄加載過程中的摩擦力，是最早表征皮膚摩擦性能的學(xué)者之一。微摩擦儀[96]能夠控制加載速度和幅值，廣泛應(yīng)用于研究皮膚的摩擦問題。Asserin 等[97]開發(fā)了一種通過不同質(zhì)量的圓盤獲得法向載荷、電機(jī)驅(qū)動(dòng)獲得切向載荷的摩擦裝置，實(shí)現(xiàn)了活體皮膚摩擦力的精確定量測(cè)量。Morales-Hurtado 等[98]采用特溫特大學(xué)設(shè)計(jì)的真空黏合劑和摩擦儀在離體皮膚上進(jìn)行了一系列拉脫和摩擦測(cè)量，闡明了不同條件下（干燥、濕潤以及油性）黏附作用對(duì)摩擦系數(shù)變化的影響。李宏凱等[99]研發(fā)了一種便攜式的摩擦性能測(cè)試儀，能夠提供0.2～2.0 N 的法向壓力和10～60 mm/s 的滑行速度。Flynn 等[100]研制了新型力敏微型機(jī)器人，可以得到皮膚法向和任一方向切向滑移下的力–位移曲線。Inoue 等[101-103]開發(fā)了含雙軸力傳感器的摩擦裝置，能夠精確控制加載速度，以表征皮膚與不同硬度人造皮膚的摩擦系數(shù)。由于活體皮膚并不是理想平面，Wyder–Hodge 等[104]提出了一種便攜式手持摩擦儀，能夠同時(shí)得到皮膚摩擦力和表面形狀，結(jié)合曲率校正技術(shù)估算了曲面上法向力和切向力，減少了由于表面形狀差異導(dǎo)致的摩擦測(cè)量誤差。Temel 等[105]發(fā)展了一種新型的摩擦測(cè)試裝置，能夠測(cè)量皮膚–紡織品的相互作用力。以Fagiani 等[106]為代表的學(xué)者，借助加速度傳感器測(cè)量了人手指尖觸摸含硬質(zhì)柵欄表面物體的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉頻譜變換，探究了振動(dòng)譜諧波最高峰所在頻率、諧波最高峰幅值與物體表面粗糙度之間的關(guān)系。研究表明，隨著表面粗糙度的增加，諧波最高峰所在的頻率逐漸減小，而諧波最高峰幅值逐漸增大。

圖4 典型人體皮膚摩擦裝置[81,105,126,130]Fig.4 Typical friction device of human skin 81,105,126,130]

盡管研究人員設(shè)計(jì)了各種各樣的裝置來表征皮膚摩擦性能，但由于壓頭遮擋，傳統(tǒng)的摩擦裝置無法獲得接觸區(qū)域的詳細(xì)信息[42,107-108]。各種實(shí)驗(yàn)手段逐漸被用于測(cè)量壓頭和皮膚類軟材料之間接觸區(qū)域的形狀，主要包括直接法和間接法[109]。接觸電阻測(cè)量是一種典型的間接測(cè)量方法，但其精度不高，已經(jīng)無法滿足目前的研究[110-111]。近年來，光學(xué)方法作為一種直接檢測(cè)接觸的方法得到了快速發(fā)展，其測(cè)試系統(tǒng)主要分為兩類。一類方法是要求材料透明[112-113]，然而這種方法僅限于研究透明材質(zhì)仿生皮膚的摩擦問題，無法直接應(yīng)用于人體皮膚。另一類方法是使壓頭透明，獲得摩擦過程中接觸區(qū)域的變化[114-117]。Sahli 等[74]將壓頭設(shè)計(jì)為平整光滑的玻璃板，采用工業(yè)相機(jī)透過玻璃板進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，能夠獲得仿生皮膚和手指皮膚二維接觸區(qū)域的變化。為了同時(shí)獲得法向和切向載荷以及三維（3D）接觸區(qū)域的面積，Johannes 等[118]提出了一種基于顯微壓痕的可視化系統(tǒng)，將熒光微球嵌入壓頭和水凝膠樣本中，通過對(duì)壓頭和水凝膠表面進(jìn)行熒光成像來實(shí)現(xiàn)接觸面積的測(cè)量。Guan 等[119]對(duì)壓痕裝置進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行可視化，同時(shí)獲得了壓入和滑移方向的力位移曲線和高分辨接觸圖像。Delhaye 等[117,120]設(shè)計(jì)了一個(gè)摩擦機(jī)器人對(duì)滑動(dòng)過程中手指和光滑透明玻璃之間的接觸表面進(jìn)行成像，基于此測(cè)量了接觸區(qū)域皮膚的應(yīng)變。近年來，墨水印刷、光學(xué)相干斷層掃描和數(shù)字圖像相關(guān)等方法逐漸被用于皮膚與接觸物體表面摩擦行為的研究[121]。

（2）扭轉(zhuǎn)。該方法旋轉(zhuǎn)軸垂直于皮膚表面，如圖4(b)所示，通過測(cè)量探頭保持恒定角速度時(shí)所需的扭矩研究皮膚摩擦問題，例如臨床中皮膚活檢的鉆孔技術(shù)以及皺紋的產(chǎn)生等?；谂まD(zhuǎn)的測(cè)量裝置缺點(diǎn)是無法評(píng)估皮膚的面內(nèi)各向異性。El-Shimi 等[122]使用高度拋光的不銹鋼圓盤和半球形探頭，研究了活體狀態(tài)下干燥皮膚和水潤皮膚的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過程中皮膚表面會(huì)產(chǎn)生“起皺”或“扭曲”，并且較高法向載荷下更為明顯。Hendriks 等[81]采用聚四氟乙烯壓頭開發(fā)了一個(gè)便捷式的旋轉(zhuǎn)環(huán)式原位測(cè)量裝置，獲得不同身體部位的摩擦力，基于測(cè)得的摩擦扭矩確定了摩擦系數(shù)。Du Bois De Dunilac 等[123]定制了能夠控制法向力和旋轉(zhuǎn)速度的扭轉(zhuǎn)裝置，配備光學(xué)裝置以實(shí)現(xiàn)接觸表面的實(shí)時(shí)原位成像，在此基礎(chǔ)上研究了7 名成年受試者（4 名男性）右手食指純扭轉(zhuǎn)下的表面皮膚動(dòng)力學(xué)行為。

（3）滾動(dòng)。該方法旋轉(zhuǎn)軸平行于皮膚表面[124]，如圖4(c)所示，在測(cè)量皮膚摩擦行為中應(yīng)用較少。然而這種類型的摩擦在日常生活中非常常見，例如體操運(yùn)動(dòng)員手部和單杠之間的接觸、按摩儀器的運(yùn)動(dòng)過程等。Highley 等[125]設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)摩擦技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過壓頭在皮膚表面平行旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)加載，驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置不同方向上連續(xù)運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究皮膚的面內(nèi)各向異性。Veijgen 等[126]設(shè)計(jì)了一個(gè)法向和速度均可控可變的小型手持式便捷摩擦裝置，能夠獲得不同皮膚區(qū)域的摩擦數(shù)據(jù)。

（4）自驅(qū)動(dòng)。該方法需要人為控制皮膚與裝置發(fā)生滑動(dòng)或者扭轉(zhuǎn)摩擦，采用傳感器記錄這個(gè)過程中的摩擦力和變形來研究皮膚摩擦行為，如圖4(d)所示。日常生活中，人類主動(dòng)觸摸感知外界變化通常都是采用該方法。Masen[127]提出了一種含6 自由度傳感器的觸覺摩擦實(shí)驗(yàn)方法，該方法要求受試者在傳感器上移動(dòng)食指獲得摩擦過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。Derler 等[128]分別使用三軸測(cè)力板和壓敏膜測(cè)量了實(shí)驗(yàn)過程中摩擦力和接觸面積，研究了法向載荷對(duì)皮膚–玻璃摩擦行為的影響。Arakawa 等[129]要求受試者通過手指按壓和滑動(dòng)來探索接觸物體，采用心理和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法評(píng)估接觸材料柔軟度。Lee 等[130]基于光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行可視化，研究了手指在不同幾何形狀凹槽上滑動(dòng)時(shí)的形態(tài)變化。

2.2.2 研究領(lǐng)域分類

皮膚摩擦學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括化妝品和護(hù)膚品[131]，與皮膚狀況、老化、皮膚損傷、傷口愈合和假肢相關(guān)的皮膚病學(xué)問題[132]，醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)[133-135]，紡織品[136-138]，觸覺、觸摸特性[139-140]和人體工程學(xué)等[1,141]。摩擦系數(shù)本身不是一種材料屬性，而是一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)[127]，這意味著它取決于兩種接觸材料的組合，因此本節(jié)將根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，介紹皮膚摩擦性能的相關(guān)研究進(jìn)展。

（1）護(hù)膚品領(lǐng)域。護(hù)膚品往往通過改變皮膚表面粗糙度和含水量形成濕潤、柔軟以及光滑的觸感。使用護(hù)膚品后，皮膚表面的摩擦和黏附性能發(fā)生顯著變化，成為評(píng)估護(hù)膚品使用效果最直接的方法之一[43]。通過測(cè)量摩擦特性來研究保濕劑以及磨砂霜等護(hù)膚品使用效果已經(jīng)取得了長足的發(fā)展[142]。Ramalho 等[143]開發(fā)了能夠控制法向和切向載荷的摩擦裝置，通過測(cè)量自然狀態(tài)、洗滌狀態(tài)、乙醇沖洗、凡士林以及甘油作用下皮膚摩擦力，評(píng)估了保濕劑對(duì)皮膚摩擦行為的影響。為了對(duì)化妝品進(jìn)行感官評(píng)估，Egawa 等[144]采用摩擦分析儀測(cè)量了表面摩擦特性（摩擦系數(shù)和平均偏差），發(fā)現(xiàn)摩擦特性與感官評(píng)估之間存在相關(guān)性。

（2）紡織材料領(lǐng)域。紡織品具有粗糙表面和復(fù)雜機(jī)械行為，是人類生活的必需品之一[145]。皮膚–織物的接觸和摩擦行為直接決定該產(chǎn)品的舒適性，在織物生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免織物與皮膚接觸摩擦導(dǎo)致起泡和瘡傷等。1986 年，Gwosdow等[146]采用彈簧秤記錄了不同織物劃過志愿者前臂內(nèi)側(cè)皮膚的摩擦力，研究了溫濕環(huán)境下摩擦對(duì)織物質(zhì)地和舒適性感知的影響。之后，Kenins[147]使用拉力計(jì)拉動(dòng)搭在人體前臂或食指上的織物，分析了不同織物纖維類型、表面形貌以及克重對(duì)皮膚–織物摩擦行為的貢獻(xiàn)。Kondo[148]對(duì)KESSE 摩擦測(cè)試儀進(jìn)行改進(jìn)，測(cè)量了人體皮膚與織物之間的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)隨著角質(zhì)層含水率的增加呈指數(shù)型增長。織物–皮膚界面內(nèi)的汗水會(huì)增加摩擦力，引起黏性感，并加劇穿著不適。為減少摩擦并提高穿著舒適性，F(xiàn)ang 等[149]采用含三軸力傳感器的摩擦裝置和腦電設(shè)備系統(tǒng)地研究了織物–皮膚的摩擦行為和濕織物黏性感知中的認(rèn)知機(jī)制。Baussan 等[150]開發(fā)了一種往復(fù)式線性摩擦儀，能夠測(cè)量跑步過程中仿生皮膚（人造革）和運(yùn)動(dòng)襪之間的摩擦接觸行為。Camillieri 等[151]將往復(fù)式織物摩擦計(jì)和觸覺摩擦儀相結(jié)合，研究表明手指形態(tài)和力學(xué)性能的改變都會(huì)影響皮膚–織物摩擦性能。Temel 等[152]開發(fā)了便捷式的手持摩擦設(shè)備，測(cè)量了皮膚–織物的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)局部皮膚溫度與摩擦系數(shù)呈正相關(guān)?？傊?，通過引入各種實(shí)驗(yàn)裝置，能夠評(píng)估包括纖維材料、紗線設(shè)計(jì)、表面結(jié)構(gòu)和織物結(jié)構(gòu)在內(nèi)不同特性織物的舒適性[153-157]。目前，學(xué)者們已經(jīng)開發(fā)了許多實(shí)驗(yàn)裝置和方法來研究皮膚–紡織材料的摩擦行為，對(duì)新型織物的開發(fā)和設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要的作用，可詳見國內(nèi)外相關(guān)綜述文章[136-138]。

（3）醫(yī)療領(lǐng)域。一方面，摩擦特性能夠反映皮膚表面的物理和化學(xué)性質(zhì)，有助于研究個(gè)體皮膚病病變和瘡傷的形成和康復(fù)。Lodén 等[10]采用帶振蕩鋼板探針的摩擦裝置非傾入性地測(cè)量了特應(yīng)性皮炎患者和健康志愿者之間的摩擦力，對(duì)比發(fā)現(xiàn)健康志愿者的摩擦力更高，實(shí)現(xiàn)了基于摩擦性能的皮膚病評(píng)估和診斷。Li 等[158]采用往復(fù)式醫(yī)學(xué)微型摩擦儀研究了依次遭受創(chuàng)傷、康復(fù)和自我適應(yīng)過程中兔子皮膚的摩擦行為。在之后的論文中，他們發(fā)現(xiàn)摩擦瘡傷和康復(fù)過程中，前20天摩擦系數(shù)降低，20 天后增加，27 天后達(dá)到穩(wěn)定階段[132]。另一方面，醫(yī)用手套、假肢等醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)護(hù)用品的開發(fā)同樣依賴于皮膚的摩擦性能的表征[159]。Carré等[160]提出了一種能夠感應(yīng)振動(dòng)的摩擦測(cè)試裝置，研究了使用醫(yī)用手套對(duì)皮膚觸覺探索的影響。Henao 等[133-134]設(shè)計(jì)了一種新型的手持式摩擦儀，通過電機(jī)扭矩評(píng)估摩擦力，確定經(jīng)股骨截肢患者假肢和殘肢之間的摩擦系數(shù)。

（4）觸覺感知。盡管物體的表面特征（表面紋理、顆粒感、黏著度）、空間特征（形狀、體積）、材料屬性（軟硬度、密度、黏度等）均不相同，人類皮膚仍然能夠依靠觸覺感知能力實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，進(jìn)而識(shí)別、抓握和操縱各種物體。人類皮膚能夠通過觸摸和滑移分辨氟化烷基硅烷（分子直徑為0.206 nm）和硅羥基（分子直徑為0.203 nm）這兩種單分子層的差別，皮膚接觸和摩擦行為在其中起著極其重要的作用[161-163]。Li 等[164]使用UMT-Ⅱ摩擦儀測(cè)量了不同法向力下（0.2 ～1.0 N）皮膚的摩擦系數(shù)，結(jié)合生理監(jiān)測(cè)儀器確定了皮膚電導(dǎo)、溫度和腦電圖等生理信號(hào)，共同探索摩擦系數(shù)和舒適度的相關(guān)性。Cesini等[165]和Massi 等[166]為了明晰手指滑動(dòng)過程中與振動(dòng)相關(guān)的觸覺感知機(jī)理，設(shè)計(jì)了一款Tribotouch摩擦儀，該摩擦儀能夠測(cè)量和再現(xiàn)摩擦力以及摩擦引起的振動(dòng)。Kl?cker 等[167-169]開發(fā)了能夠預(yù)定義法線、切線、旋轉(zhuǎn)方向速度和位移的實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)表面特性（即摩擦力波動(dòng)和凈摩擦）與其舒適度存在顯著相關(guān)性。之后，該團(tuán)隊(duì)還結(jié)合高保真摩擦調(diào)制超聲波設(shè)備，實(shí)現(xiàn)指尖的受控摩擦[170-171]。Skedung 等[172-174]設(shè)計(jì)摩擦裝置時(shí)引入了三分量壓電力傳感器和電荷放大器，研究了摩擦性能、表面粗糙度和觸覺感知之間的關(guān)系。Chimata 等[175-176]采用接觸式輪廓儀和三軸測(cè)力計(jì)，研究了表面紋理特征、摩擦性能對(duì)皮膚觸覺的影響。Tanaka 等[177]利用振動(dòng)位移傳感器，測(cè)量了指尖劃過不同砂紙表面時(shí)皮膚振動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)砂紙顆粒越大，振動(dòng)越小。皮膚摩擦在抓握以及觸覺感知中起著至關(guān)重要的作用，相關(guān)研究發(fā)表和引用近年來呈指數(shù)型增長，可詳見綜述[139-140]。

2.3 數(shù)值仿真

皮膚是人類身體抵御外部環(huán)境的第一道防線，通過機(jī)械、電、熱、生物、化學(xué)和磁等形式激勵(lì)實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的信息交換[178]。皮膚與物體接觸引起的皮膚變形和振動(dòng)能夠感知外部環(huán)境，其關(guān)鍵在于深入理解人類皮膚的接觸力學(xué)和摩擦行為。基于非線性有限元接觸均質(zhì)化程序，Stupkiewicz等[179]和Leyva-Mendivil 等[180]建立了正交各向異性的摩擦模型，如圖5(a)所示，分析了接觸法向力、皮膚微觀結(jié)構(gòu)、接觸物體大小以及摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。Leyva-Mendivil 等[180-181]基于解剖學(xué)和Abaqus 軟件建立了人體皮膚的二維多層有限元模型來模擬各種尺寸壓頭在皮膚表面的滑動(dòng)行為，如圖5(b)所示。這些研究大多局限于二維模擬，實(shí)際上皮膚在三維空間中具有豐富的特征。Yoshida 等[182-183]利用核磁共振方法建立了指尖的三維有限元模型，如圖5(c)所示，提出了一種結(jié)合實(shí)驗(yàn)和有限元的技術(shù)，分析了指尖的摩擦行為。Xing 等[15]基于有限元方法模擬皮膚摩擦起泡行為，研究了摩擦系數(shù)、磨損材料剛度、皮膚與材料之間的非線性動(dòng)態(tài)接觸以及起泡幾何形狀對(duì)起泡變形和應(yīng)力的影響。Dai 等[16]建立了用于模擬足–襪–鞋墊接觸的三維有限元模型，研究了不同摩擦性能的襪子對(duì)步態(tài)站立階段動(dòng)態(tài)足底壓力和剪切應(yīng)力的影響。Tiell 等[7]使用Adams 軟件開發(fā)一個(gè)多體動(dòng)力學(xué)仿真方法來模擬皮膚–襪子和襪子–傳感器接口處的摩擦行為，研究了襪子剛度對(duì)皮膚剪切測(cè)量精度的綜合影響。Diosa 等[184]通過創(chuàng)建不同幾何形狀的微浮雕皮膚表面模型，如圖5(d)所示，在微尺度下闡明年齡對(duì)皮膚–球形壓頭壓痕和滑動(dòng)響應(yīng)的影響。為了模擬皮膚大變形問題，陳思等[185]提出了一種基于有限元和光滑粒子動(dòng)力學(xué)耦合算法，模擬尖刺刺入和平板摩擦仿真試驗(yàn)。數(shù)值方法為皮膚摩擦行為的研究提供了一種便利的手段，近年來發(fā)展迅速。

圖5 幾種模擬皮膚摩擦的數(shù)值模型[179,181-182,184]Fig.5 Several simulation models for skin friction[179,181,182,184]

3 人體皮膚摩擦行為的影響因素

皮膚作為一種活體材料，其摩擦行為的影響因素多種多樣，為研究增加了難度。自身因素如：健康狀態(tài)、年齡、性別、解剖部位以及遺傳因素等。外界因素如：濕度、溫度、護(hù)膚品應(yīng)用等。這些因素通過改變皮膚的物化性質(zhì)影響皮膚的摩擦特性。此外，實(shí)驗(yàn)采用的滑動(dòng)速度、接觸面積、法向載荷以及接觸材料的材質(zhì)等都會(huì)影響皮膚摩擦性能的表征。由此可見，皮膚摩擦學(xué)的研究比一般摩擦學(xué)問題更為復(fù)雜。本節(jié)從主要影響因素出發(fā)，總結(jié)和整理目前關(guān)于皮膚摩擦的研究進(jìn)展。

3.1 粗糙度與表面紋理

人體皮膚的表面形貌與身體解剖部位息息相關(guān)，不同部位的粗糙度和表面紋理不同，導(dǎo)致其摩擦性能存在差異。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，早期研究認(rèn)為摩擦系數(shù)與皮膚表面粗糙度的相關(guān)性并不顯著[1,144]。隨著研究的深入，Nakajima 等[14]通過輪廓測(cè)量和摩擦測(cè)量相結(jié)合的方法評(píng)估了皮膚形態(tài)和摩擦系數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)皮膚表面粗細(xì)線條形成的圖案（包括長度和深度）會(huì)影響摩擦系數(shù)。

此外，測(cè)量皮膚摩擦系數(shù)時(shí)，接觸壓頭表面的粗糙度同樣發(fā)揮著重要的作用。Hendriks 等[81]分別用材質(zhì)為鋁、黃銅、鋼和硬質(zhì)工程塑料定制了不同材質(zhì)的接觸壓頭，對(duì)臉頰和前臂開展了大量的摩擦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著表面粗糙度的增加，摩擦系數(shù)顯著降低。結(jié)果表明，堅(jiān)硬物體與皮膚之間的摩擦系數(shù)隨著表面粗糙度的增加而降低[128,186-187]。Derler 等[188]基于兩項(xiàng)摩擦模型分別研究了從微米到毫米范圍內(nèi)的表面微觀結(jié)構(gòu)對(duì)足底皮膚–硬質(zhì)基底滑動(dòng)摩擦行為的影響，發(fā)現(xiàn)表面微觀結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)非常大。

3.2 水合作用

皮膚水合作用取決于皮膚表面的水分，水分增加通常會(huì)改變兩種材料之間的黏附性能和摩擦力[189]。研究表明，潮濕條件下皮膚的摩擦系數(shù)是干燥情況下的1.5～7 倍[1,10,157,190]。El-Shimi 等[122]和Sivamani 等[191-192]均發(fā)現(xiàn)皮膚含水量與摩擦系數(shù)之間存在相關(guān)性。因此，一些學(xué)者嘗試采用線性[193]、冪函數(shù)[14]、指數(shù)[194]以及鐘形曲線[195-196]等函數(shù)形式描述含水量與摩擦行為之間的定量關(guān)系。鐘形曲線行為表明，如果皮膚足夠濕潤，摩擦行為將從邊界潤滑過渡到混合潤滑。Tomlinson等[196]發(fā)現(xiàn)最初摩擦力的增加是皮膚吸水引起的，這個(gè)過程中接觸面積發(fā)生明顯的增大。此外，外部環(huán)境同樣會(huì)影響皮膚的含水量，皮膚與金屬[81,196]、織物[147,197]和玻璃[128]等材料在非常潮濕的氣候或潮濕的條件下接觸時(shí)，摩擦力甚至比干燥滑動(dòng)條件下高2～4 倍。這種變化可以通過黏性剪切、吸水性和毛細(xì)管黏附來解釋[196]。Mahdi等[198]發(fā)現(xiàn)在干燥狀態(tài)下皮膚變形摩擦占總摩擦的20%，在較高滑動(dòng)速度和法向載荷下潤滑狀態(tài)變形摩擦對(duì)總摩擦的貢獻(xiàn)甚至能達(dá)到50%。

人體皮膚和接觸材料之間的親水/疏水作用也會(huì)影響皮膚的水和作用和摩擦特性[42,154,196,199]。例如，Adams 等[42]分別用疏水性的聚丙烯和親水性的玻璃壓頭在前臂皮膚上進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用玻璃壓頭的摩擦力較低，這是由于玻璃與皮膚之間形成了更穩(wěn)定的潤滑膜。Tomlinson 等[196]采用具有相似表面粗糙度的鋼和聚丙烯壓頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高親水性的鋼壓頭與皮膚之間的摩擦系數(shù)更低，得到了同樣的結(jié)果。此外，在含水量和粗糙度相同的情況下，不同解剖部位皮膚的親水性也有顯著差異，這是由于富含皮脂的皮膚親水性更強(qiáng)[200-201]，從而表現(xiàn)出更高的摩擦力[199]。然而，Cua 等[193]認(rèn)為皮膚皮脂含量與摩擦力之間的相關(guān)性較弱，所以皮脂對(duì)皮膚摩擦的影響有限。目前對(duì)于是否考慮皮脂仍然存在爭論，之后需要更為全面的理論和實(shí)驗(yàn)研究充分闡明皮脂對(duì)皮膚摩擦特性的影響[1]。

3.3 加載速度

早在1963 年，Grosch[202]就發(fā)現(xiàn)橡膠類仿生材料滑動(dòng)過程中摩擦力會(huì)隨著速度的增加而增加，通過引入黏性剪切損耗可以解釋這種現(xiàn)象。之后，Tang 等[96]將實(shí)驗(yàn)過程中的滑動(dòng)速度從0.5 mm/s增加4.0 mm/s 得到了相似的結(jié)果，并通過能量平移示意圖解釋了滑動(dòng)速度對(duì)皮膚摩擦特性的影響。其中，變形摩擦分量隨著彈性滯后造成的能量損失增加而增大，此時(shí)“黏滑”現(xiàn)象也變得更明顯。Johnson 等[66]使用冪律表達(dá)式描述了摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度（0.25～33 mm/s）的增加而增加。Zhang 等[155]確定了轉(zhuǎn)速從25 r/m 增加到62.5 r/m過程中的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正相關(guān)。Mahdi 等[198]使用滾動(dòng)和滑動(dòng)方法確定黏著和變形摩擦的相對(duì)貢獻(xiàn)，基于損耗半徑因子定量研究了滑動(dòng)速度對(duì)變形摩擦的影響。

3.4 法向力

Adams 等[42]采用傳統(tǒng)的Tabor-Eldredge 儀器配合球形壓頭測(cè)量了前臂內(nèi)側(cè)的摩擦力，觀察到摩擦系數(shù)隨著法向力的增加而降低，并采用摩擦黏附模型解釋了這種現(xiàn)象。Tang 等[96]發(fā)現(xiàn)當(dāng)法向載荷從0.1 N 增加到0.9 N 時(shí)，皮膚摩擦系數(shù)顯著增大。研究表明黏附和變形共同決定皮膚的摩擦行為，法向力的大小會(huì)影響摩擦系數(shù)的測(cè)量。Ramalho 等[143]發(fā)現(xiàn)在不同法向載荷下手掌的摩擦系數(shù)變化不明顯，但是手臂皮膚表現(xiàn)出雙坡度的摩擦機(jī)制。Derler 等[128]認(rèn)為不同機(jī)制（黏附、變形以及潤滑）起主導(dǎo)作用時(shí)皮膚摩擦系數(shù)對(duì)于法向載荷的依賴性存在差異，為研究皮膚復(fù)雜摩擦機(jī)制提供了新的見解。

3.5 種族、性別和年齡

現(xiàn)有研究表明皮膚摩擦在不同種族之間沒有顯著差異[3]。但對(duì)于性別和年齡，不同研究得到的結(jié)果存在較大的差異。最初學(xué)者們認(rèn)為性別和年齡對(duì)于皮膚摩擦行為沒有明顯影響[3,9,144,186,193,203]。Elsner 等[204]測(cè)量了44 名健康女性志愿者的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其與年齡、體重、身高無關(guān)。Gerhardt等[154]發(fā)現(xiàn)盡管老年人的皮膚彈性顯著降低，但年齡組之間的皮膚摩擦性能沒有明顯差異。在該作者的另一項(xiàng)研究中觀察到盡管女性和男性的皮膚黏彈性行為一致，然而女性皮膚的摩擦表現(xiàn)出更高的水分敏感性，這種效果歸因于女性皮膚水合作用下形成更大的真實(shí)接觸面積[197]。李宏凱等[99]研究發(fā)現(xiàn)，手背、手掌、前臂屈側(cè)、前臂伸側(cè)、前額部位皮膚摩擦系數(shù)與性別的相關(guān)性較小，但女性臉頰部位皮膚摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于男性。Zhu 等[190]招募了633 名志愿者，發(fā)現(xiàn)皮膚摩擦系數(shù)隨年齡、性別和身體部位的變化而變化，并且與某些身體部位角質(zhì)層水合作用呈正相關(guān)。

3.6 身體解剖位置

不同解剖區(qū)域的皮膚摩擦特性存在較大差異，在皮膚水合作用較高的區(qū)域摩擦力和摩擦系數(shù)更大。簡而言之，手指、手掌和前額的摩擦系數(shù)比腹部、大腿和下背部更大[9,81,128,190,193,204-206]。樊鳴鳴等[207]測(cè)量了6 個(gè)不同解剖部位的皮膚摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同解剖部位按照摩擦系數(shù)大小排序均為：臉頰>手掌>前額>手背>手臂屈側(cè)>手臂伸側(cè)。Hendriks[81]研究則認(rèn)為臉頰上的摩擦系數(shù)通常低于前臂（特別是在較高的環(huán)境濕度下），猜測(cè)是胡須的存在改變了其摩擦行為。盡管不同解剖位置毛發(fā)分布不同，但是毛發(fā)對(duì)人體皮膚摩擦行為影響的相關(guān)研究較少，目前仍然是一個(gè)未知且有趣的研究課題。

3.7 其他因素

Liu 等[208]使用“Cutometer”摩擦儀和光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，研究了皮膚力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性如何影響人類手指的摩擦行為。Gwosdow 等[146]通過將8 名男性暴露在不同溫度條件下，研究了溫度對(duì)皮膚織物質(zhì)地和舒適感（可接受性）感知的影響。Choi 等[209]采用摩擦實(shí)驗(yàn)研究了表面溫度對(duì)電黏合的影響，發(fā)現(xiàn)表面溫度會(huì)影響用戶對(duì)電黏觸摸屏的感覺，特別是在接觸滑動(dòng)早期階段。

4 結(jié)語

皮膚摩擦涉及生物學(xué)、力學(xué)、摩擦學(xué)、醫(yī)學(xué)以及神經(jīng)科學(xué)等多學(xué)科交叉，因此強(qiáng)化交叉科學(xué)研究是皮膚摩擦學(xué)研究的必然選擇。此外，皮膚結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，是一種典型的不均勻材料，目前關(guān)于人體皮膚的摩擦行為研究主要集中在組織尺度，即厘米量級(jí)。為了研究不同因素對(duì)皮膚的影響，必須將皮膚放大到從百微米到幾毫米的介觀尺度。介觀尺度下皮膚與接觸物體之間的摩擦依賴于該尺度下的力學(xué)行為：不同皮膚層的力學(xué)性能、接觸過程中的組織變形以及皮膚的微觀結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有研究對(duì)該尺度下的皮膚力學(xué)和摩擦行為的認(rèn)知仍然較少[184]。作為活體組織，皮膚還具有自愈合、自修復(fù)的特點(diǎn)，其摩擦性能處于動(dòng)態(tài)變化中，這種特性為對(duì)其深入研究帶來了極大的困難。

由于 “低模量，大變形”的特點(diǎn)，在摩擦過程中皮膚隨著切向力的增加產(chǎn)生面積縮減、接觸各向異性、黏滑效應(yīng)等現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)的摩擦模型已經(jīng)不足以進(jìn)行解釋和描述[118,120,210-213]。理論方面，還需要一種考慮皮膚材料超彈性、黏彈性、各向異性以及表面粗糙的摩擦模型，完善皮膚的接觸模型和摩擦理論。此外，在手與物體還沒有發(fā)生完全滑移的過程中，人類就已經(jīng)利用其觸覺感知能力調(diào)節(jié)握力大小，防止物體脫落，提供這種早期觸覺信息的物理和感知機(jī)制目前還不明確[214-215]。這主要是目前關(guān)于皮膚材料靜摩擦階段的理論模型極其匱乏。雖然存在一些模型[72-73]能夠描述軟材料切向力下的黏滑現(xiàn)象，但是由于切向力導(dǎo)致接觸區(qū)域形狀發(fā)生改變，模型的適用性存疑[216]。實(shí)驗(yàn)方面，一方面亟需開發(fā)能夠獲取大量數(shù)據(jù)的在體實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段來觀測(cè)和量化摩擦過程中皮膚的變形。另一方面皮膚表面含有大量的微觀特征，這種特征與皮膚的宏觀力學(xué)和摩擦性能密不可分。因此，為了系統(tǒng)研究這些特性，必須發(fā)展多尺度、高精度的實(shí)驗(yàn)方法以獲取更為豐富的摩擦力和接觸信息。