CN113939148A - 一种仿生汗腺及仿生皮肤 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生汗腺及仿生皮肤，包括外壳和多孔介质；所述外壳内部设有散热管道，所述散热管道内填充多孔介质，所述散热管道内多孔介质形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质的间隙中填充蒸发液；所述外壳为透水结构，用于从环境中吸取蒸发液；所述外壳顶部设有若干与散热管道连通的通孔，用于向外界排放蒸发液。本发明能够适应电子皮肤等柔性材料在使用过程中材料表面产生的拉伸，剪切的力的作用效果，相比较已有的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法的硬件型热交换方法，本发明装置本身的柔性特征的热交换方法有更好的适应性和更多的应用场合。

Description

一种仿生汗腺及仿生皮肤

技术领域

本发明涉及生物仿真学领域或者人工皮肤领域，特别涉及一种仿生汗腺及仿生皮肤。

背景技术

人工皮肤(Artificial skin)主要有两大类，一种是合成皮肤(Synthetic skin)，一种是智能皮肤(Smart skin)。智能皮肤是人机交互和人工智能的重要研究领域，智能皮肤在医疗健康领域也有重要的作用。

现阶段，柔性传感器除电极外所有组件都是由柔性材料制造,由于皮肤的复杂性，很小的局部区域往往可以兼顾多种功能，尤其是实现感觉功能，感受冷、热、软、硬，所以近年来对电子皮肤的仿生思路是层叠皮肤，并在皮肤各层安装不同类型传感器。现有技术公开了一种复层式电子皮肤，第一层皮肤由第一水凝胶及多个第一传感器构成，第二层皮肤构成方式与第一层皮肤类似，且第一柔性半球状凸起压板的外部与第二层皮肤中的第二柔性半球状凸起压板的外部相互正对设置。上下层皮肤通过柔性半球状凸起压板相接触，接触面积很小，在受到外界刺激时，可以快速响应所以本方案提供的电子皮肤的灵敏度高。但是高温环境会影响电子元器件和设备的性能、使用寿命，传统的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法已经难以满足许多电子器件的散热要求。

Lee等利用纳米黏土和温敏水凝胶制作的仿生汗腺，不但实现了温度高时通过水蒸发冷却的功能，同时还实现了温度低时防止水蒸发的功能。但这种有着微表面结构的仿生汗腺仍然在稳定性、可植入、尤其是热传输效率方面仍存在缺陷。

康奈尔大学的Rob Shepherd及其研究团队研发了一种特殊材质的机器人手掌，该手掌能够以“分泌汗液”的方式，来控制机器内部的温度。但是这种以出汗为散热方式的仿生汗腺，本身具有一些缺陷，在汗液排出完成热交换的过程，会使外部壳体变得湿滑，降低人工汗腺应有的摩擦力，不利于抓握，可能会使手中的物体发生滑落，尽管更改上层的纹理可以在这方面有所缓解，但却会让表现变得褶皱。此外，目前这款机器人需要定期供水，以补充蒸发掉的水份。所以，以单纯排水出汗的散热方式因温度不同开口大小有变化而导致出水量大小不可控，所以散热的稳定性不可控。供水一次性排出，使用过程排出的水不可收集循环使用，还会改变外部手掌表面状态，使表面变得湿滑，不利于抓握的过程。

日本京都大学的研究人员在Kengoro机器人的冷却方式中，采用仿生汗腺的方式以开发更高效的冷却液输送系统。Kengoro内部配有铝制框架，框架上分布着类似海绵似的缝隙和通道。这些通道可将水传送到机器人全身，并通过蒸发的形式实现热交换，以铝框架为基础的冷却系统就像人类那样出汗。测试显示，这种出汗技术比传统冷却方式的效果好2倍。这种微表面结构是刚性结构，置于机器人内部，不利于机器人全身安装皮肤覆盖、蒸发液体散到空气，同样是不可收集循环使用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种仿生汗腺及仿生皮肤，能够适应电子皮肤等柔性材料在使用过程中材料表面产生的拉伸，剪切的力的作用效果，相比较已有的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法的硬件型热交换方法，本发明装置本身的柔性特征的热交换方法有更好的适应性和更多的应用场合。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种仿生汗腺，包括外壳和多孔介质；

所述外壳内部设有散热管道，所述散热管道内填充多孔介质，所述散热管道内多孔介质形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质的间隙中填充蒸发液；所述外壳为透水结构，用于从环境中吸取蒸发液；所述外壳顶部设有若干与散热管道连通的通孔，用于向外界排放蒸发液。

进一步，所述多孔介质为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质形成的孔隙不大于40微米。

进一步，所述外壳呈水滴状，水滴状所述外壳底部呈球形，所述外壳顶部沿蒸发流向逐渐渐缩。

进一步，所述外壳为双层透水结构，所述外壳包括透水内层和透水外层，所述透水内层和透水外层均为网格结构；所述透水内层的网格孔隙小于多孔介质的最小直径；所述透水外层的网格孔隙大于透水内层的网格孔隙，且透水内层的网格和透水外层的网格相互交错分布。

进一步，所述散热管道与外壳顶部通孔之间设有滤网。

进一步，还包括端盖，所述外壳顶部安装端盖，所述端盖内部分布若干微热管，所述微热管一端与外壳顶部的通孔连通；所述微热管另一端与外界连通。

进一步，所述端盖为扁平的椭圆形，若干所述微热管在端盖内呈murray定律分布。

一种仿生皮肤，所述仿生皮肤内植入所述的仿生汗腺。

进一步，所述仿生皮肤包裹所述外壳且所述外壳顶部的通孔位于仿生皮肤外部；所述仿生皮肤内设有主管道，用于给仿生汗腺附近区域的仿生皮肤内部补充蒸发液；所述外壳从仿生皮肤内部中吸取蒸发液。

进一步，所述仿生汗腺的外壳通过加液细管与附近的主管道连通。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的仿生汗腺，端盖起到放大散热面积的效果，端盖的蒸发基于微热管的蒸发原理，使冷凝液体快速向外界散热。

2.本发明所述的仿生汗腺，通过外壳和端盖采用水凝胶材料制成，能够适应电子皮肤等柔性材料在使用过程中材料表面产生的拉伸，剪切的力的作用效果，相比较已有的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法的硬件型热交换方法，本发明装置本身的柔性特征的热交换方法有更好的适应性和更多的应用场合。

3.本发明所述的仿生汗腺，通过外壳内填充多孔介质，内多孔介质形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小，多孔介质本身具有浸润性，可以有效吸合蒸发液，从而达到固液平衡，改变内部液体的流动性。内部填充多孔介质可以起到自发将吸收的液体沿蒸发端到冷凝端的方向运输。

4.本发明所述的仿生皮肤，可采用单位面积下多数量分布的微小密集排列方式，在散热源处及其周边汗腺单位密度数量较无热源处皮肤更多。应用在受体表面区域，随着使用的智能皮肤面积越大，相应的汗腺数量也越多。采用结构小型的数量多个的高密度方式相比较传统的大型的单个的固定区域散热的方式。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的仿生汗腺结构图。

图2为实施例1在仿生皮肤上的分布图。

图3为实施例1在具有加液细管的仿生皮肤上的分布图。

图4为本发明实施例2所述的仿生汗腺结构图。

图5为本发明所述的微热管分布图。

图中：

1-外壳、2-滤网、3-多孔介质、4-端盖、5-加液细管、6-主管道、7-仿生皮肤，8-透水内层、9-透水外层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1为本发明实施例1所述的仿生汗腺，包括外壳1和多孔介质3；所述外壳1内部设有散热管道，所述散热管道内填充多孔介质6，所述散热管道内多孔介质3形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质3的间隙中填充蒸发液；所述外壳1为透水结构，用于从环境中吸取蒸发液；外壳1为至上到下逐渐膨大的类水滴形结构，外壳1上部细长狭窄的区域被称为冷凝端，外壳1下部膨大的区域称为蒸发端。外壳1逐渐膨大可以有更多的热接触面积，充分吸收热量。所述仿真汗腺自身内部和空气之间存在的温度差冷，内部气体在高温下膨胀，与外部环境产生压力差，凝端上部细长的结构本身可以使产生的内外压差放大，在冷凝端出口处可以加速热交换的完成。

所述外壳1为双层透水结构，所述外壳1包括透水内层8和透水外层9，所述透水内层8和透水外层9均为网格结构；所述透水内层8的网格孔隙小于多孔介质3的最小直径，用以阻挡多孔介质3外露出仿真汗腺，还起到过滤的作用；所述透水外层9的网格孔隙大于透水内层8的网格孔隙，且透水内层8的网格和透水外层9的网格相互交错分布。所述外壳1顶部设有若干与散热管道连通的通孔，用于向外界排放蒸发液。所述散热管道内填充多孔介质3，所述散热管道内多孔介质3形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质3的间隙中填充蒸发液；外壳1的下部膨大区域底部为散热管道底部。所述多孔介质3可为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质3形成的孔隙不大于40微米。多孔介质本身具有浸润性，可以有效吸合蒸发液，从而达到固液平衡，改变内部液体的流动性。所述散热管道内填充多孔介质3可以起到自发将吸收的液体沿蒸发端到冷凝端的方向运输，将蒸发液传递到外壳1顶部通孔处。本发明的外壳体结构具有透水性、多孔介质3和可外壳1开口的蒸发作用本身使装置对蒸发液具有较好的吸附作用，有较强的吸附力，让蒸发液从外部进入装置内部。外壳1材料为水凝胶，水凝胶本身随表面的张力而改变形态，适应弹性柔软皮肤的柔性状态，外壳1为双层透水性结构可以为在外部环境多液的情况下补充蒸发液。内部采用多孔介质3可以起到自发将吸收的液体沿蒸发端到冷凝端的方向运输，将液体传递到位于外部壳体上部细长端口附近的顶部过滤网，然后以蒸汽的形式完成热交换。所述散热管道与外壳1顶部通孔之间设有滤网2。综上所述，实施例1的外壳1起到保护和种植便利性的前提下，外壳1蒸发端底部的透水性能够自发的从周边多液环境吸收蒸发液；散热管道内部填充多孔介质3提供了内部蒸发液循环动力；内部温度高于外部空气温度产生的温度差导致仿真汗腺内部压力高于外部压力，加快完成气液交换，可以自发的完成热交换全过程。

一种仿生皮肤，所述仿生皮肤内植入实施例1所述的仿生汗腺，如图2所示。仿生汗腺工作环境在仿生皮肤7中，仿生皮肤7的材料为水凝胶，契合人体皮肤柔软多水的状态。仿生汗腺的工作方式为开放式的热交换，蒸发液作为热交换介质直接排出体外，不可循环。仿生汗腺的外壳1与仿生皮肤7相接触，外壳1种植在仿生皮肤7内部，仿生皮肤7完全包裹外壳1的蒸发端部分，所述外壳1顶部的通孔位于仿生皮肤7外部。外壳1和仿生皮肤7结构类似，可以有效进行液体交换，向周边多液区域吸收蒸发液补充进仿生汗腺。所述仿生皮肤7内设有主管道6，用于给仿生汗腺附近区域的仿生皮肤7内部补充蒸发液；所述外壳1从仿生皮肤7内部中吸取蒸发液。主管道6为仿生皮肤7的液体补充管道，有蒸发液流过主管道6后扩散进仿生皮肤7内补充仿生皮肤7因蒸发而损失的蒸发液。仿生汗腺的多孔介质3经由外壳1吸取水凝胶的蒸发液成份，并将沿蒸发端到冷凝端的方向运输，通过滤网排放到空气中。仿生皮肤7具有较大的面积，在大面积的仿生皮肤中汗腺装置的模块化思路，一条主管道6可以供应多个仿生汗腺所需的液体，使沿主管道6一定范围内的仿生皮肤保持柔软多水的特性。因此，较大面积的仿生皮肤7的使用，通常采用多个主管道6来持续供液，补充仿生汗腺排放过程中的蒸发液。

如图3所述，为了提高汗腺热交换的效率，在仿生皮肤内植入实施例1所述的仿生汗腺的基础上增加了加液细管5，所述仿生汗腺的外壳1通过加液细管5与附近的主管道6连通。给主管道6里的液体持续加压，加快液体进入多孔介质区域的速度，提高装置底部与外部空气之间的压力差，加压后的液体可以直接经由加液细管5流经壳体1内部，可以更快的走过工作路径，经由滤网将冷却液过滤细化流出，完成散热过程。

如图4为本发明实施例2所述的仿生汗腺，在实施例1的基础上，还包括端盖4，所述外壳1顶部安装端盖4，所述端盖4内部分布若干微热管，所述微热管2一端与外壳1顶部的通孔连通；所述微热管2另一端与外界连通。端盖4的目的是通过增加冷凝端的通道距离，更好地利用蒸发散热过程带走更多的热量，从而提高散热利用率。所述端盖4为扁平的椭圆形结构为汗腺装置的散热端，扁平而宽大的结构有利于增大散热面积。所述端盖4中心与所述外壳1顶部配合，所述端盖1内部分布若干微热管2，所述微热管2一端与外壳1顶部的通孔连通；若干所述微热管2在端盖1内呈murray默里定律分布，如图5所示。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生汗腺，其特征在于，包括外壳(1)和多孔介质(3)；

所述外壳(1)内部设有散热管道，所述散热管道内填充多孔介质(6)，所述散热管道内多孔介质(3)形成的孔隙沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质(3)的间隙中填充蒸发液；所述外壳(1)为透水结构，用于从环境中吸取蒸发液；所述外壳(1)顶部设有若干与散热管道连通的通孔，用于向外界排放蒸发液。

2.根据权利要求1所述的仿生汗腺，其特征在于，所述多孔介质(3)为水凝胶颗粒；所述水凝胶颗粒的直径沿蒸发流向逐渐减小；所述多孔介质(3)形成的孔隙不大于40微米。

3.根据权利要求1所述的仿生汗腺，其特征在于，所述外壳(1)呈水滴状，水滴状所述外壳(1)底部呈球形，所述外壳(1)顶部沿蒸发流向逐渐渐缩。

4.根据权利要求1所述的仿生汗腺，其特征在于，所述外壳(1)为双层透水结构，所述外壳(1)包括透水内层(8)和透水外层(9)，所述透水内层(8)和透水外层(9)均为网格结构；所述透水内层(8)的网格孔隙小于多孔介质(3)的最小直径；所述透水外层(9)的网格孔隙大于透水内层(8)的网格孔隙，且透水内层(8)的网格和透水外层(9)的网格相互交错分布。

5.根据权利要求1所述的仿生汗腺，其特征在于，所述散热管道与外壳(1)顶部通孔之间设有滤网(2)。

6.根据权利要求1所述的仿生汗腺，其特征在于，还包括端盖(4)，所述外壳(1)顶部安装端盖(4)，所述端盖(4)内部分布若干微热管，所述微热管(2)一端与外壳(1)顶部的通孔连通；所述微热管(2)另一端与外界连通。

7.根据权利要求6所述的仿生汗腺，其特征在于，所述端盖(4)为扁平的椭圆形，若干所述微热管在端盖(4)内呈murray定律分布。

8.一种仿生皮肤，其特征在于，所述仿生皮肤内植入权利要求1-7任一项所述的仿生汗腺。

9.根据权利要求8所述的仿生皮肤，其特征在于，所述仿生皮肤(7)包裹所述外壳(1)且所述外壳(1)顶部的通孔位于仿生皮肤(7)外部；所述仿生皮肤(7)内设有主管道(6)，用于给仿生汗腺附近区域的仿生皮肤(7)内部补充蒸发液；所述外壳(1)从仿生皮肤(7)内部中吸取蒸发液。

10.根据权利要求9所述的仿生皮肤，其特征在于，所述仿生汗腺的外壳(1)通过加液细管(5)与附近的主管道(6)连通。

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