CN113983839B - 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，包括端盖、微热管、回流管和外壳，所述端盖与外壳通过止口密封连接；所述端盖中心设有进液腔，所述端盖内部分布若干微热管，任意所述微热管一端与进液腔连通；所述外壳内部设有与进液腔连通的散热管道，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；所述微热管另一端与散热管道通过回流管连通。本发明可以依据热源的位置进行疏密分布设置，靠近热源的位置分布较多数量的汗腺，以此提高效率、汗腺蒸发液从蒸发端冷凝经过回流管到底端，能够重复使用的更加经济的方式的热交换。

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，可以依据热源的位置进行疏密分布设置，靠近热源的位置分布较多数量的汗腺，以此提高效率、汗腺蒸发液从蒸发端冷凝经过回流管到底端，能够重复使用的更加经济的方式的热交换。

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，包括端盖、微热管、回流管和外壳，

所述端盖与外壳通过止口密封连接；所述端盖中心设有进液腔，所述端盖内部分布若干微热管，任意所述微热管一端与进液腔连通；

所述外壳内部设有与进液腔连通的散热管道，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；所述微热管另一端与散热管道通过回流管连通。

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，所述端盖为扁平的椭圆形，若干所述微热管在端盖内呈murrary定律分布。

进一步，所述散热管道与进液腔之间设有滤网。

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，所述外壳呈圆柱体或长方体。

进一步，所述外壳为螺旋结构或盘管结构。

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，当所述仿生皮肤上的热源为点分布时，所述仿生汗腺均布在点热源周边；当所述仿生皮肤上的热源为面分布时，所述仿生汗腺阵列均布在面热源平面。

进一步，所述仿生汗腺的外壳粘接或编织固定在仿生皮肤的内部或表面；所述端盖位于仿生皮肤外部。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的仿生汗腺，采用蒸发回凝的可循环方式，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，使冷凝液体单方向循环，通过外壳回流到底部吸热区。

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，根据热源的分布布置仿生汗腺，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为图1的剖视图。

图3为本发明实施例2所述的仿生汗腺结构图。

图4为本发明实施例3所述的仿生汗腺结构图。

图5为本发明实施例4所述的仿生汗腺结构图。

图6为本发明所述的仿生汗腺在点热源的仿生皮肤上的分布图。

图7为本发明所述的仿生汗腺在面热源的仿生皮肤上的分布图。

图8为本发明实施例5所述的仿生汗腺植入仿生皮肤的示意图。

图9为本发明实施例6所述的仿生汗腺植入仿生皮肤的示意图。

图10为本发明实施例7所述的仿生汗腺植入仿生皮肤的示意图。

图11为本发明实施例8所述的仿生汗腺植入仿生皮肤的示意图。

图12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；7-仿真皮肤；10-编织物质；11-胶粘物质；12-回流管；13-微热管；14-进液腔。

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和图2为本发明实施例1所述的仿生汗腺，包括外壳1；滤网2；多孔介质3；端盖4；回流管12；微热管13；进液腔14，所述外壳1与端盖4通过止口密封连接；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中心设有进液腔14，所述端盖4内部分布若干微热管13，任意所述微热管13一端与进液腔连通；若干所述微热管13在端盖4内呈murrary默里定律分布，如图12所示。所述端盖4上面为圆弧形自中间高向两边低，位于端盖4的中间设有深孔，所述深孔即为进液腔14，进液腔14内有若干小孔为微热管13进口，所述端盖4与外壳1通过均布的圆柱销定位，可以防止端盖4与外壳体1产生转动。

外壳1为至上到下逐渐膨大的类水滴形结构，外壳1逐渐膨大可以有更多的热接触面积，充分吸收热量。所述外壳1内部设有与进液腔14连通的散热管道，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；所述微热管13另一端与散热管道底部通过回流管12连通。所述外壳1与端盖4连接的面设为上面，外壳1的下部膨大区域底部为散热管道底部。蒸发液从微热管13流出后由回流管12流入到散热管道底部的多孔介质3。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，将蒸发液传递到进液腔14内，然后通过微热管13完成热交换。外壳1以水凝胶等为材料。外壳1和端盖4采用密封连接，使用过程中无缝隙且无漏液。密封状态下，在汗腺内部加入易挥发蒸发液，经过多孔介质吸热后蒸发到冷凝段上端盖，蒸发液冷凝后回流完成可循环热交换。

图3为为本发明实施例2所述的仿生汗腺，所述外壳1呈圆柱体或长方体。外壳1为简单的几何结构，目的在于方便仿生汗腺种植在仿真皮肤7中，其他特征与实施例1相同。

图4为为本发明实施例3所述的仿生汗腺，外壳1还可以采用呈盘曲的管状聚合结构，盘曲的管状聚合结构使蒸发端的表面积增大，蒸发端充分的与外部仿真皮肤7接触，有效的吸热可以加快热交换，从而提高散热效率。这样可以是仿生汗腺设计成为汗腺的生理解剖结构，其他特征与实施例1相同。

图5为本发明实施例4所述的仿生汗腺，外壳1采用呈螺旋结构从上到下，采用螺旋结构的外壳体1使蒸发端的表面积增大，蒸发端充分的与外部仿真皮肤7接触，从而提高散热效率。其他特征与实施例1相同。

一种仿生皮肤，所述仿真皮肤内植入所述的仿生汗腺。一般仿真皮肤7内部依据传感器的分布不同，仿真皮肤7的热源也会不均匀的分布，因此，汗腺在皮肤中的排列分布需要依据一定的规律，通常热源的分布可以分为点热源和面热源。如图6所示，当所述仿真皮肤上的热源为点分布时，所述仿生汗腺均布在点热源周边；点热源下的仿生汗腺分布，仿生汗腺围绕点热源形成由近到远的圆周分布，依据距离热源位置远近来调整分布密度，仿生汗腺随着距离点热源的距离越远，汗腺装置密度越稀疏。

如图7所示，当所述仿真皮肤上的热源为面分布时，所述仿生汗腺阵列均布在面热源平面。在面热源下仿生汗腺分布模拟局部皮肤组织中的汗腺分布，本发明提出以矩阵的排列方式分布在面热源的上方，矩阵的排列分布可以使多个汗腺装置均匀受热，将热量分散到每个汗腺装置从而增加散热效率。

如图8所示，实施例5为本发明所述的仿生汗腺在仿真皮肤7中的一种安装方式，仿生汗腺通过粘接的方式安装在仿真皮肤7内部或者仿真皮肤表面。具体为使用纳米黏土和水凝胶等胶粘物质11对仿真皮肤7表面进行涂抹，使仿生汗腺底部黏附在仿真皮肤表面。涂抹仿生汗腺进行固定，再粘附在智能皮肤表面。或在仿真表面加工对应的孔隙，孔隙略大于汗腺装置，放入汗腺装置然后对孔隙灌入水凝胶胶粘固定，如图9所示。

如图9所示，实施例6为本发明所述的仿生汗腺在仿生皮肤8中的一种安装方式，图9中仿真皮肤7的孔隙本身上窄下宽。孔隙本身基于仿真皮肤为材料，孔隙本身具有一定的柔软度，孔隙开口直径小于汗腺装置膨大的蒸发端，使得汗腺装置植入孔隙后不会脱落。孔隙下方的直径比汗腺略小，也使得在汗腺扦插进孔隙后，孔隙内部会产生相应的内部作用力固定汗腺。

如图10所示，实施例7为本发明所述的仿生汗腺在仿真皮肤7中的一种安装方式，所述仿生汗腺的外壳1编织固定在仿真皮肤7的内部；所述端盖1位于仿真皮肤7外部。编织固定是采用纺织学科的加工工艺，将仿生汗腺编织在仿真皮肤7表层。具体方式为，先在仿真皮肤7表面加工对应的孔隙，放入汗腺装置后，在皮肤表面编织一层网格纹路使汗腺装置固定在孔内，孔的直径比汗腺装置略宽，仿生汗腺放入孔隙后，外壳上部，端盖下方较细的部分经由编织物质10交叉固定之后，限制汗腺装置的自由度。

如图11所示，实施例8为本发明所述的仿生汗腺在仿真皮肤7中的一种安装方式，依据仿生汗腺的本身结构外型，当仿生汗腺放置在仿真皮肤7表面上后，汗腺膨大的底端接触仿真皮肤7表面之后，在其周边通过编织物质10编制，使得仿生汗腺以垂直仿真皮肤表面的位置方式固定在仿真皮肤7上。

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，包括端盖(4)、微热管(13)、回流管(12)和外壳(1)，

所述端盖(4)与外壳(1)通过止口密封连接；所述端盖(4)中心设有进液腔(14)，所述端盖(4)内部分布若干微热管(13)，任意所述微热管(13)一端与进液腔(14)连通；

所述外壳(1)内部设有与进液腔(14)连通的散热管道，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；所述微热管(13)另一端与散热管道通过回流管(12)连通。

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，所述端盖(4)为扁平的椭圆形，若干所述微热管(13)在端盖(4)内呈murrary定律分布。

4.根据权利要求1所述的仿生汗腺，其特征在于，所述散热管道与进液腔(14)之间设有滤网(2)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的仿生汗腺，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。

6.根据权利要求1-4任一项所述的仿生汗腺，其特征在于，所述外壳(1)呈圆柱体或长方体。

7.根据权利要求1-4任一项所述的仿生汗腺，其特征在于，所述外壳(1)为螺旋结构或盘管结构。

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1-4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，当所述仿生皮肤上的热源为点分布时，所述仿生汗腺均布在点热源周边；当所述仿生皮肤上的热源为面分布时，所述仿生汗腺阵列均布在面热源平面。

10.根据权利要求8所述的仿生皮肤，其特征在于，所述仿生汗腺的外壳(1)粘接或编织固定在仿生皮肤的内部或表面；所述端盖(4)位于仿生皮肤外部。

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