人体皮肤摩擦行为的研究进展及其挑战

日常生活中,人体皮肤不可避免与各种物体产生接触,由此产生的皮肤摩擦学问题受到包括纺织、美容、医疗、触觉传感器以及机器人等众多领域的关注。围绕人体皮肤的摩擦行为,本文从理论模型、实验方法以及典型数值仿真出发系统地探讨了皮肤摩擦研究的方法论,概述了皮肤解剖结构、摩擦行为研究方法及其影响因素3个方面的研究进展。基于此,总结了目前人体皮肤摩擦行为研究中存在的诸多问题和挑战。     

汗液对皮肤摩擦特性的影响研究

采用人工汗液模拟人体汗液,在连续和间歇式往复摩擦运动模式下研究汗液对正常人体皮肤、穿戴假肢皮肤以及残肢疤痕皮肤摩擦性能的影响,并模拟假肢穿戴环境研究汗液对皮肤摩擦舒适度的影响. 结果表明:在法向载荷为0.2 N和0.7 N的连续和间歇式往复摩擦运动模式下,汗液均通过改变皮肤表面的物理化学性能而对皮肤的摩擦行为产生影响;在汗液逐渐干燥的过程中,皮肤的摩擦行为从粘着向相对滑移状态转变,摩擦系数变化经历从小到大再减小、最后达到稳定的过程;在法向载荷为8.0 N、模拟假肢穿戴环境的连续式往复摩擦运动模式下,汗液环境中的正常小腿皮肤、穿戴假肢皮肤和残肢疤痕皮肤的摩擦系数均大于干燥环境.根据皮肤在摩擦过程中的疼痛感、牵扯感和灼热感等同时提出皮肤摩擦舒适度概念,与干燥的假肢穿戴环境相比,汗液均加强了不同皮肤的摩擦不舒适感.     

性别和解剖部位对人体皮肤摩擦性能的影响

为了研究性别和解剖部位对人体皮肤的摩擦特性的影响,采用1种便携式皮肤摩擦测试仪测量了6个不同解剖部位的皮肤摩擦系数.结果表明:前额、前臂伸侧、前臂屈侧和手背的皮肤摩擦系数个体差异较小,而脸颊和手掌的皮肤摩擦系数个体差异较大.女性脸颊、手掌的皮肤摩擦系数大于男性(P0.05);女性前臂伸侧、前臂屈侧的皮肤摩擦系数小于男性(P0.05);前额、手背的皮肤摩擦系数不存在性别差异(P0.05).不同解剖部位之间的皮肤摩擦系数有显著差异(P0.05),无论男、女性,解剖部位按照摩擦系数大小排序一致为:脸颊手掌前额手背手臂屈侧手臂伸侧.试验提供了1种从摩擦学角度了解皮肤品质的方法.     

假肢接受腔-人体皮肤界面往复摩擦能量损耗的研究

利用万能材料试验机和多功能数据采集分析系统,在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔-残肢皮肤穿戴界面,研究了不同切向力作用下两种常用的假肢接受腔材料与皮肤的摩擦能量损耗.结果表明:接受腔-皮肤界面往复摩擦过程中,随着切向力的增加,皮肤发生的弹性变形增大,皮肤摩擦前后的温差增加,摩擦过程中的能量损耗增大.接受腔材料表面结构直接影响着残疾人穿戴假肢的舒适性.相较于表面粗糙度较大的国内生产接受腔材料,表面粗糙度较小的进口接受腔材料降低了皮肤的摩擦能耗,减轻了皮肤的发热和变形,降低了皮肤损伤的风险,提高了与皮肤界面的适配性.     

不同性别人体皮肤摩擦不舒适度感知功能的研究

利用人体生理和心理反应反馈信号研究了不同性别人体前臂掌侧皮肤在不同法向加载摩擦条件下的不舒适度感知能力.试验在UMT-II多功能摩擦磨损试验机上进行,相应的生理反应信号:皮肤温度、电容以及脑电波利用NeXus-10生理反馈仪进行同步采集及定量分析;皮肤感知的心理信号借助于摩擦过程中受试者对疼痛、牵扯和灼热的感觉程度进行量化记分.结果表明:皮肤的摩擦系数在性别之间无显著性差异;女性皮肤的温度及电容普遍高于男性,但温度及电容在摩擦开始及结束时的差值在性别之间无显著性差异;女性脑电波幅值及高幅值波峰数大于男性;相应的女性在摩擦过程中不舒适的心理反应强于男性;所有受试者在摩擦过程中的不舒适感均随时间的延长及载荷的增大而增强.     

二氧化硅在两种摩擦条件下的摩擦性能及其机理研究

利用ＳＲＶ摩擦磨损试验机及静动摩擦系数测定仪考察了ＳｉＯ２陶瓷／ＧＣｒ１５钢摩擦在干摩擦及水,正丁醇、正癸醇和正辛酸等润滑下的摩擦性能。     

芳纶纤维增强摩擦材料的摩擦学性能研究

系统研究了芳纶纤维增强摩擦材料在模拟制动工况下的摩擦学特性,结果表明,在试验工况下,复合材料的摩擦系数随滑动速度增大而降低,磨损率随滑动速度的增加增增大,随着芳纶含量的增加,复合材料摩擦系数略有增加,而磨损率明显下降,芳纶纤维在摩擦过程中起到了提高摩擦系数稳定性和降低磨损的作用。     

迷彩服织物与人体肘部皮肤摩擦特性研究

在往复摩擦模式下模拟迷彩服穿着环境,研究了5种不同迷彩服织物的表面结构、亲疏水性、接触力值以及干湿状态对皮肤摩擦特性的影响.结果表明:在法向载荷为1 N时,湿态下的环境增强了织物与皮肤间的黏着力,织物与皮肤在湿态下的摩擦系数均高于干态;当法向载荷增加到5 N时,界面间的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响.在干态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的材质和针织结构有关,纯棉材质和斜纹结构的织物与皮肤的摩擦系数较小;在湿态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的亲疏水性有关,疏水性强的织物由于增强了皮肤的水合作用以及界面间的粘附力,因此增加了织物与皮肤的摩擦系数.质地较硬的平纹结构织物易造成摩擦后的皮肤表面粗糙,造成皮肤不同程度的角质层分离及表皮撕裂,增加了皮肤表面损伤的风险.     

去角质化妆品对皮肤摩擦性能的影响研究

采用UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机,模拟洗脸的摩擦条件,考察了微粒大小、数量和硬度不同的3种磨砂洗面奶介质对不同性别人体皮肤摩擦特性的影响.结果表明：由于在往复摩擦条件下磨砂洗面奶去除了皮肤表面老化角质层,皮肤的表面粗糙度下降,皮肤的电导、水合作用、黏着力及摩擦系数增加;含有2种微粒大小、数量和硬度适中的B组洗面奶介质摩擦去除老化角质较多,皮肤后续对保湿化妆品的渗透效果较好;由于不同性别皮肤表面结构的差异,磨砂洗面奶对男性皮肤表面结构的影响较女性大.     

机织物与皮肤间摩擦特性的测试方法

为了便于研究织物与人体皮肤间的摩擦性能,作者模拟织物与皮肤的摩擦行为,在现有负荷-伸长测试仪的基础上,研制改造出一台用于测量织物与皮肤间摩擦特性的测试仪.实验发现,在同一组摩擦试验中,首次摩擦试验的曲线明显低于其后的摩擦曲线,而且动摩擦力的波动性较后者大.为保证该仪器的测量数据客观有效,进行了重现性和可比性对比试验,结果表明该仪器在相同测试条件下测得的摩擦信号重现性较好,不同织物和皮肤间的摩擦试验结果具有可比性.同时为了归纳出相对稳定的试验条件(如张力?摩擦速度?试样宽度),选择4种规格不同的机织物与皮肤进行对比试验, 根据摩擦信号的稳定性和实际测试条件, 推荐了常规机织物的基本测试参数, 其中张力为2N , 摩擦速度为5 0 0m m/ m i n , 试样宽度为1 0c m .     

新型皮肤摩擦特性测量装置的实验研究

研制出新型皮肤摩擦特性测量装置并用于测量人及动物体内、外皮肤的摩擦特性,在不同试验参数下测定了皮肤与假肢接受腔材料之间的摩擦系数.结果表明:该装置法向加载精度高达99.59%;在相同试验条件下测得猪体外皮肤摩擦系数的重复性较好;在人体上、下肢不同部位,只有手掌部位皮肤与其它部位的摩擦系数有显著性差异(P＜0.005);在控制法向载荷和往复移动频率2种模式下得到兔体内皮肤摩擦系数的试验结果具有可比性,摩擦系数随着法向载荷的增加而降低,随着往复移动频率的增加而增大;用该装置摩擦前后其皮肤组织结构有明显变化.     

Dynamic Modes of One Seismic-Damping Mechanism with Frictional Bonds

The possible states of a system of interacting solids with rolling friction and unilateral sliding friction bonds are analyzed. The system can be used for seismic isolation of buildings. The structures (modes) of motion are established. The basic analytical relations are derived, which are needed to construct a dynamic model of variable structure     

法向载荷和滑动速度对GCr15钢干滑动摩擦的影响

本文研究了在干滑动摩擦情况下,GCr15钢与YG8硬质合金对磨时的摩擦系数与法向载荷及滑动速度的关系。结果表明,摩擦系数是随着法向载荷和滑动速度的增加而降低。根据磨损表面发生的变化和磨损表面温度计算,作者认为法向载荷和滑动速度的增加使闪温增高,从而导致了摩擦磨损表面的局部熔化,即形成了边界润滑,故此摩擦系数降低,而且在较高的载荷和滑动速度条件下,不同显微组织材料的摩擦系数之差减小。     

摩擦力和摩擦振动的分形行为研究

在不同的摩擦磨损试验机上提取了摩擦磨损过程中摩擦力和摩擦振动的时间序列信号,采用关联维数方法研究了摩擦力和摩擦振动的分形行为．结果表明：摩擦力和摩擦振动信号具有分形特征;随着摩擦磨损过程的进行,信号分形维数的变化出现规律性的递增或递减;对于“收敛”或磨合磨损过程,不同阶段摩擦信号的分形维数趋于增大;对于“发散”的摩擦磨损过程,不同阶段的摩擦信号的关联维数趋于减小．摩擦力和摩擦振动的分形维数的变化规律同摩擦磨损过程中表面形貌分形维数的变化规律相似。     

一种新型金属陶瓷摩阻材料的研制及其综合性能考察

作者针对三峡升船机机构对摩阻材料的特殊要求,开创性地研制了一种新型的金属陶瓷摩阻材料——HFPM-91。该材料在高比压(>10MPa)和无磨合条件下具有高而稳定的摩擦系数(≥0.55),即使在水湿的工况下和偶件发生锈蚀的情况下,其高摩擦系数也基本不变。除此以外,该材料还具有比重小和强度高等优点。