模拟人体出汗的仿生皮肤*

宫保强姚宝国周子晗

(中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州 310018)

近年来与皮肤直接接触的产品越来越多，对这些产品的测试需要仿生皮肤作为研究基础[1－3]，同时仿生皮肤作为机器人与外界交互的媒介，是智能机器人的重要组成部分[4－5]，在生活中因为意外而导致的皮肤严重损伤，需要皮肤的替代物。这些都是对仿生皮肤的迫切需求[6－8]。关于仿生皮肤的应用研究主要分为以下三个方面。在智能机器人应用领域，Bruck等[9]创造出了一种可以感知接触力的高度柔顺人造皮肤，机器人通过人造皮肤触摸物体，感知接触力，从而进行训练与环境交互。Heo等[10]提出了一种受手掌皮肤启发的仿生三层皮肤结构，研究证明了采用该皮肤材料的机械手在抓取任务中具有更强的鲁棒性。在医学应用领域，周等[11]制备了一种呈“三明治”结构的热敏人工皮肤，体内实验表明其能有效加速创面闭合。Sahan等[12]阐明了一种人工机械皮肤模型的发展，运用该模型研究微针与皮肤之间的机械相互作用，从而实现最佳的药物传递和生物感应。Ferreira等[13]制备了一种有希望用于伤口愈合和软组织再生的具有药物释放性能的仿生皮肤膜结构。在与皮肤接触类物质测试领域，陈等[14]利用亲疏水聚合物互穿网络，建立了一种水化程度可调的人工皮肤模型。该模型已被用于研究皮肤与创面、化妆品之间的相互摩擦作用。Guan等[15]使用聚二甲基硅氧烷材料开发了一种具有可控排汗率的模拟皮肤，用于皮肤及其紧密接触织物在辐射热危害下的传热评估。

现有的仿生皮肤主要分为两大类，一类是模拟人体皮肤触力感知功能的仿生皮肤模型，不具有出汗功能，主要用于智能机器人的研究与应用方面[16－17]；另一大类是织物热湿传递性能研究中用到的模拟皮肤，具有出汗功能，又以高保湿棉织物皮肤[18]及微孔膜复合层皮肤[19]最为典型。Fan等[20]研制出了“Walter”出汗假人，可用于服装热阻与湿阻的同时测算。李学东等[21]研制了一种出汗模拟装置，并结合天然纤维组成的人造皮肤模拟人体出汗。Koelblen等[22]使用含弹性体的棉、涤纶、含弹性体的聚酰胺和当作模拟皮肤，使它们贴附在热人体模型上，从而模拟人体出汗和蒸发冷却过程。但这两大类皮肤模型严格来说都是单层的，只模拟了皮肤表层，无法真实模拟人体皮肤出汗与温度调节的功能。本研究通过选择合适的微孔膜，构建具有三层膜结构的仿生皮肤，搭建由汗源、微量柱塞泵等组成的模拟出汗装置，进行内核温度控制及表皮温度调节实验。

1 仿生皮肤原理

1.1 仿生皮肤组成

人体皮肤主要由表皮层、真皮层及皮下组织三部分组成，在皮下组织中分布有大量静脉血管及汗腺，而在真皮层中分布有冷热感觉神经及汗管，表皮层则有汗孔和毛干[23]。人体通过下丘脑的控制进行温度调节，热感觉神经检测到皮肤真皮温度高于稳定值时，下丘脑前部控制皮肤血管扩张，增大血液流量，便于热量耗散，并使汗腺出汗，汗液蒸发带走皮肤大部分热量，达到降温的目的[24]。

根据人体皮肤结构及温度调节过程，设计具有模拟出汗功能的仿生皮肤，主要由模拟皮肤本体和模拟出汗装置组成。皮肤本体由热源层、汗源层及表层组成，这与人体皮肤结构的皮下组织、真皮层及表皮层结构一致，热源层的加热膜模拟皮下组织分布的大量静脉血管的温度保持作用，是皮肤热量的主要来源；仿生皮肤汗源层汇集汗液并传导到皮肤表面与人体皮肤真皮层中的汗管功能一致；仿生皮肤表层膜的亲水特性与人体皮肤表皮层的汗孔功能一致，能将汗液透出到皮肤表面。

仿生皮肤的温度调节与人体皮肤温度调节的过程是一致的。热源层电加热膜的加热模拟皮肤真皮温度升高，通过其表面的温度传感器监测温度并反馈到数据采集硬件，传递给计算机控制系统，计算机通过模糊PID自适应算法控制电加热膜工作，维持仿生皮肤内核温度稳定，这与下丘脑根据真皮层冷热感觉神经的传导信号，控制皮下组织血管的收缩，实现皮肤温度稳定过程一致。当皮肤表皮温度过高时，计算机控制微量柱塞泵从35℃的生理盐水汗源中抽取汗液，经由汗液管路、注水针头输送到汗源层中，汗液因为皮肤表层膜的亲水特性透出到皮肤表面，最后通过汗液蒸发降低表皮温度，这与下丘脑控制汗腺出汗并通过真皮层的汗管、表皮层的汗孔及毛干，将汗液运送到皮肤表面降温的过程一致。仿生皮肤出汗及温度调节的原理框图如图1所示。

图1 仿生皮肤的原理框图

1.2 仿生皮肤本体

仿生皮肤本体由皮肤表层、汗源层及热源层三层组成[22]。其结构如图2所示。

图2 仿生皮肤结构

热源层由高精度的温度传感器及厚度为0.4 mm的聚酰亚胺柔性电加热膜组成，加热模厚度较薄，满足仿生皮肤不宜过厚的要求，通过对电加热膜温度的控制模拟人体皮肤真皮层温度的变化，借助温度传感器实现对内核温度的实时监测。加热模表面涂有防水层，能够有效地防止因汗源层渗透的水分而引起的短路。

汗源层由上下两层膜及中间的注水针头构成，如图3所示，下层膜能够隔绝汗水，防止其对热源层造成影响，上层膜能够吸收汗水，并将吸收的汗水从汗源层透出，供表层膜使用[21]。汗源层具有合适的厚度，能够将热源层的热量传递给表层。

图3 汗源层结构

汗源层上下膜之间注水针头的内径为0.25 mm，针孔内径要尽可能的小，防止上下膜间有气隙造成热量耗散。仿生皮肤的面积为100 cm2，而一个注水针头能快速浸润的面积约为(14.8±1.2)cm2，为了模拟人体皮肤下分布的大量汗腺，使汗液在皮肤表面尽可能地扩散开，在仿生皮肤8个方向上分别布置8个注水针头，使出汗时汗液能够分散布满整个仿生皮肤表面。

皮肤表层则由微孔复合膜和温度传感器构成。微孔复合膜吸收并透过汗源层的汗液到仿生皮肤的表面，在表皮温度过高时通过汗液蒸发达到降温的目的。表层微孔膜较薄，能将热量传递到仿生皮肤表面。温度传感器实时监测表层温度，反馈给控制系统。

1.3 内核及表皮温度控制

仿生皮肤内核温度模拟人体真皮层温度，稳定在36.8℃，允许±0.1℃的温度波动，计算机按照设定值控制内核升温及其稳态。而表皮温度因为仿生皮肤三层微孔膜的特定厚度组合及其传热导湿特性，在内核温度升温时，其延迟升温并自稳定在(33.5±0.3)℃的表皮稳态范围内。控制示意图如图4所示。

图4 内核及表皮温度控制示意图

仿生皮肤受到外界环境影响而升温时，通过模拟出汗调节表皮温度。表皮温度的出汗调节过程如图5所示。当红外辐射作用在仿生皮肤上时，表皮温度开始升高，温度达到出汗阈值35℃时，计算机控制仿生皮肤出小汗，若皮肤表面的温度传感器检测到温度继续上升至36℃时，仿生皮肤出大汗，表面积累的大量“汗水”蒸发，降温带走大部分热量，经过一段时间后，因为仿生皮肤微孔膜的特定厚度及其传热导湿特性，表皮温度最终重新回归稳定值33.5℃。

图5 仿生皮肤出汗时表皮温度调节

根据仿生皮肤模型原理设定:①仿生皮肤内核温度变化范围为(36.8±0.1)℃。②内核温度被控制在(36.8±0.1)℃内时，表皮温度不被调节时自动维持在(33.5±0.3)℃内。③表皮温度达到出汗阈值35℃、36℃时，仿生皮肤能够分别出小汗、大汗。④表皮温度升高时，皮肤模拟出汗能将温度调节回(33.5±0.3)℃范围内。

2 温度及出汗控制系统

2.1 仿生皮肤内核温度控制

2.1.1 内核温度控制硬件设计

仿生皮肤采用虚拟仪器NI9474数据输出板卡作为温度控制器，通过继电器控制聚酰亚胺电加热膜的通断电，控制其升温。NI9474为8通道数字输出模块，每个通道可输出5 V～30 V电压信号，用DO0一路通道控制继电器；聚酰亚胺柔性电加热膜厚度为0.4 mm，满足仿生皮肤的厚度要求。

2.1.2 内核温度控制软件设计

在采用传统PID控制算法的基础上，结合模糊控制理论，通过基于模糊控制理论的PID控制对内核温度进行控制[25]。

图6 传统PID控制流程图

传统PID控制本质上是一种闭环控制，主要由比例、积分、微分单元组成，控制器计算设定值与实测值之间的偏差，按照下式各单元间的运算，输出控制量给执行器，使被控量接近设定值。

式中:u(t)为控制量输出，k p、T i、T d分别为比例、积分、微分系数，e(t)为偏差量。

内核温度控制流程如图7所示，温度传感器检测热源层加热膜的温度，NI9217进行温度采集，上位机计算温度设定值与实测值之间的偏差e(t)及其变化率将偏差及变化率输入到模糊控制中，通过三角隶属函数进行模糊化处理后，再按照下式与控制规则R进行运算得到k p、k i、k d模糊矢量。其中k p的控制规则R如表1所示。表中，e为内核温度偏差信号的模糊矢量，ec为内核温度偏差变化率的模糊矢量，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB为e、ec、k p的模糊子集，分别表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

表1 比例系数的模糊控制规则

图7 内核温度的模糊PID控制流程图

式中:k p为比例系数的模糊矢量，e为内核温度偏差信号的模糊矢量，ec为内核温度偏差变化率的模糊矢量，R为根据经验得到的模糊控制规则，◦为模糊关系的合成运算。

最后按照下式的最大隶属度法进行反模糊化处理输出k po、T io、Tdo控制量给PID控制器，通过PID控制输出最终的控制量，控制电加热膜加热。

式中:k p为通过模糊推理得到的控制输出，μk p为控制输出的隶属度值，k p i为第i个具有最大隶属度的控制输出，k po为模糊控制器的一个输出，N为具有相同隶属度输出的总数。

内核温度的上位机软件Labview程序如图8所示，主要有温度输入、模糊化处理、模糊控制、PID控制、控制输出等模块。根据温度设定值，通过模糊控制器模糊化PID控制器的控制参数，限制仿生皮肤内核温度的波动范围，以满足控制要求。

图8 内核温度控制程序

2.2 仿生皮肤出汗控制

2.2.1 出汗控制硬件设计

仿生皮肤的出汗主要通过汗源、PTFE管路及接头、电磁阀、微量柱塞泵、微量柱塞泵控制器等实现。汗源为35℃的恒温水浴生理盐水如图9所示；电磁阀为二位二通式电磁阀，其得电失电控制出汗回路的通断；微量柱塞泵控制器模拟不同的出汗情况(出大汗、小汗)，控制微量柱塞泵输送不同的汗量。

图9 恒温生理盐水汗源

出汗控制是根据计算机设定的出汗模式(出小汗、出大汗)及皮肤表温度，通过RS485通信，将控制指令传递给微量柱塞泵控制器，排出不同量(出小汗一次(0.37±0.13)mL/100 cm2，出汗速率为0.03 mL/s、出大汗一次(1.15±0.21)mL/100 cm2，出汗速率为0.16 mL/s)的汗水到汗源层而实现的。控制过程机械结构如图10所示，计算机接受是否出汗及出汗量大小的命令，通过RS485将控制信息传递给微量柱塞泵控制器，进液口电磁阀打开，微量柱塞泵经汗液管路从35℃恒温生理盐水汗源中抽取汗液，出液口电磁阀打开，微量柱塞泵将汗液输送至三通接头，汗液经三通接头分流后通过注水针头进入仿生皮肤的汗源层，最后被表皮层吸收透出至表面。

图10 出汗过程的机械结构示意图

2.2.2 出汗控制软件设计

出汗控制的上位机程序如图11所示，计算机通过串口通信，根据设定的出汗模式及仿生皮肤表皮温度，选择微量柱塞泵控制器的出汗模式，控制出汗，控制出汗流程如图12所示。

图11 出汗控制程序

图12 出汗控制流程图

若仿生皮肤表面温度升高至出汗阈值，控制系统即控制皮肤出汗，汗液蒸发使表皮降温。在出汗将升温干扰减弱后，因为仿生皮肤自身微孔膜的特性，表皮温度缓慢回归到原先的稳态值。通过出汗控制，实现皮肤表皮温度调节。

3 实验

3.1 皮肤膜选型实验

皮肤模型的汗源上下层微孔膜分别具有阻隔汗水流到热源层以防影响电路及将汗水透出到仿生皮肤表层的功能，而表层微孔膜要将汗水吸收并透出到仿生皮肤表面，它们还要将热源层的热量传递到皮肤表面，故其应分别为亲水、疏水、亲水型膜，而且具有合适的热传导能力[22]。对可作为汗源层、表层薄膜的七种材质进行隔水、吸水、透水、传热的选型实验，实验的环境温度为(22±1)℃、相对湿度为(65±2)%RH。

根据微孔膜材质的亲水、传热特性实验结果，将它们分为1到5级，5级代表亲水、传热特性最好，如图13所示。按照需求最终选择5μm孔径PTFE亲水型膜、0.1μm孔径阻水型PTFE膜、10μm孔径Nylon薄膜分别作为汗源层上层、汗源层下层、皮肤表层的组成成分。

图13 仿生皮肤的微孔膜选型实验

进行各层微孔膜不同厚度的组合实验。在内核温度被控制在(36.8±0.1)℃内时，表皮温度在实验环境下不出汗的自然温度应为(33.5±0.3)℃，模拟在自然环境下人体表皮温度。

根据表2厚度组合实验结果表知，当汗源上下层及表皮层膜分别为3 mm、1.8 mm、0.9 mm时，仿生皮肤的表皮温度最佳，为33.5℃。

表2 不同微孔膜厚度组合对表皮温度影响

最终选择3 mm疏水型孔径为0.1μm PTFE膜作为汗源层下层膜，用来隔绝汗水与热源层接触并起到隔热作用；采用孔径为5μm厚度为1.8 mm的PTFE亲水型膜作为上层膜来吸收汗水；皮肤表层则采用孔径为10μm厚度为0.9 mm的Nylon薄膜来透过汗水，供皮肤表层蒸发汗液，降低表皮温度。

3.2 内核温度控制及表皮温度调节实验

3.2.1 仿生皮肤内核温度控制实验

实验的环境温度为(22±1)℃、相对湿度为(65±2)%RH。实验前将仿生皮肤静置在实验环境中24 h并将生理盐水汗源的恒温水浴箱打开待其升温到35℃。在计算机上设置皮肤模型内核温度阈值为(36.8±0.1)℃。开始实验，通过控制系统控制电加热膜加热，计算机采集并记录内核及表皮温度数值，经过10 min后完成一次实验，共进行5组典型实验。

3.2.2 出汗时表皮温度调节实验

实验环境及准备工作与内核温度控制实验一样，除此之外设置仿生皮肤出汗温度阈值为35℃。开始实验，当通过计算机观察到皮肤表皮温度维持在33.5℃附近时，打开光源加入红外辐射干扰。表皮温度达到出汗温度阈值开始出汗时，计算机采集并记录出汗量及表皮温度值，再经过6 min后完成一次实验，共进行5组典型实验。

3.3 结果分析

从实验数据中取点绘制皮肤内核及表皮温度如图14所示。开始加热后内核温度在80 s后进入稳态，控制响应快，温度变化范围为(36.8±0.1)℃，满足仿生皮肤设计要。表皮温度在140 s后达到稳定，其热量由内核温度传递，所以在时间上有所延迟，最终稳定在33.5℃左右。这与人体皮肤在舒适环境下温度情况相似。

图14 仿生皮肤的内核温度控制

绘制出汗量及表皮温度调节图如图15所示，仿生皮肤受到红外辐射干扰，在167 s时升温达到出汗阈值35℃，微量柱塞泵总共出三次小汗，每次出汗0.37 mL，平均出汗速率为0.03 mL/s，排出总量为1.11 mL的汗水到汗源层，因温度继续上升，柱塞泵出三次大汗，每次出汗1.15 mL，平均出汗速率为0.16 mL/s，排出总量3.45 mL的汗水，表皮温度的上升减缓并呈现下降的趋势。在210 s时表皮温度开始下降，因皮肤表面积累了大量汗液，表皮温度在汗液的蒸发作用下迅速下降，直至290 s时大部分汗液被蒸发掉，红外辐射的干扰基本被抵消，此后温度缓慢回到原先的稳态值33.5℃。模拟出汗消除了红外辐射的干扰，整个调节过程持续142 s，温度调节时间较短，出汗响应迅速。

图15 仿生皮肤出汗时的表皮温度调节

4 结论

本文提出了具有热源层、汗源层及表皮层的三层结构仿生皮肤，研究了仿生皮肤的温度及出汗控制系统。采用模糊 PID控制内核温度在(36.8±0.1)℃内变化，而表皮温度在仿生皮肤3 mm疏水型PTFE下层膜、1.8 mm亲水型PTFE上层膜、0.9 mm的Nylon微孔膜的厚度组合下自稳定在(33.5±0.3)℃内；当有红外辐射等干扰使表皮温度升高时，通过出汗控制系统控制皮肤35℃时出小汗，36℃时出大汗，调节表皮温度回归到原先的稳态。

相较于现有的仿生皮肤只模拟了皮肤表层，是单层结构，不能模拟温度调节，本文研究的仿生皮肤能够综合地模拟人体出汗及温度调节过程，可应用于纺织品热湿传递及红外管理特性的测试，模拟皮肤、纺织品及外界环境形成的微循环系统。