新型皮肤摩擦特性测量装置的实验研究

　　皮肤摩擦学是生物摩擦学体表类的重要研究对象,所涉及的生物器件主要有动物及人类的皮肤[1],是1个比较复杂的摩擦学问题.因为皮肤组织不同于无生命的常规材料,其在摩擦过程中会表现出自我适应和自我修复,而人体不同部位皮肤的弹性模量等力学性能差异较大,其形状一般不是绝对平面而影响研究工况的精确性;此外,在活体皮肤的摩擦学性能测试中,因稍大的力学参数就会对活体皮肤造成伤害,所用的力学参数比常规材料小得多.这些特点决定评价其摩擦性能不能在传统的摩擦磨损试验机上进行,需要专用的测试设备.

　　目前国内外在皮肤摩擦学的研究方面还没有形成体系,原因之一是缺乏专用的皮肤摩擦特性测试设备.在国内尚未见有关皮肤摩擦学设备方面的研究报道.国外皮肤摩擦力及摩擦系数的测定采用牵引测定法、机械测定法和生物医学显微摩擦计测定法[2].牵引测定法和机械测定法的设备结构简单,测量精度低;生物医学显微摩擦计测量精度较高[3],但不是测量皮肤摩擦特性的专用设备,只能针对人体上肢部位进行测量,测试部位的局限性较大.

　　针对以上皮肤摩擦特性研究中存在的问题,本文作者设计出1台新型皮肤摩擦特性测量装置,利用该设备可以测量人和动物体不同部位的活体皮肤(体内皮肤)和离体皮肤(体外皮肤)与不同材料之间的摩擦力和摩擦系数,为探索皮肤摩擦行为、丰富生物摩擦学的基本知识和解决皮肤摩擦损伤的问题提供实验研究手段.

　　1　实验部分

　　1.1　皮肤摩擦试验装置

　　图1示出了皮肤摩擦试验装置示意图.可见,其主要分为摩擦力测试平台、三维传感器测力装置和计算机数据采集及处理系统3部分组成.测试平台由驱动上摩擦副前后和上下运动的传动机构及下摩擦副的固定装置组成.测试时上摩擦副在垂直于纸面方向作前后往复移动,这种往复移动由传动机构的变频伺服电机带动蜗轮蜗杆旋转、通过曲柄滑块机构实现.上摩擦副往复行程位移通过调整偏心滑块的偏心量实现,调整偏心范围为1~10 mm,往复移动位移范围为2~20 mm.测试时往复频率调整由伺服电机变频实现,可由计算机及手动分别操作,频率变化范围为0. 25~3. 00 Hz.上摩擦副的上下移动由传动机构的手摇梯牙丝杆螺母副机构实现,移动范围为0~200 mm.三维传感器测力装置连接在上摩擦副夹具与传动机构之间,测试时与上摩擦副同时运动,可同时测量法向力和摩擦力,测力范围为0~10 N,精度±0. 5%.该传感器可对法向力和摩擦力实时监测,当不平坦的表面使法向力变化时,可以给出真实的摩擦系数计算值.计算机数据采集和处理系统以500Hz的采样速率记录法向力和摩擦力,同时输出二者的曲线关系,并转换成摩擦系数.