CN114281125B - 一种仿生皮肤控制系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生皮肤控制系统，包括排汗层，弹性加热层以及控制主机；排汗层包括带有微流道腔体的基体层以及为基体层定量提供生理盐水的蠕动泵，生理盐水进入基体层后通过微流道腔体排出；弹性加热层包括覆盖在排汗层上的弹性层与封装在所述弹性层内的加热电路，弹性层上具有贯穿所述弹性层上下表面的多个排水口，排水口与所述微流道腔体对应设置并连通；控制主机包括排汗控制单元与温度控制单元；排汗控制单元用于控制蠕动泵的输出转速，来控制生理盐水的排出量；温度控制单元用于调节加热电路两端的电压，来控制加热的温度大小。本发明还提供了一种仿生皮肤控制系统的制备方法。本发明操作简单，可以模拟人体皮肤排汗与温度变化。

Description

一种仿生皮肤控制系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及仿生皮肤制造领域，尤其涉及一种仿生皮肤控制系统及其制备方法。
背景技术
随着人口老龄化加快及全民健身意识的增强，人们对疾病预防、科学健身、健康康复等的需求快速增长，以预防和数字化为主的健康医疗产业越来越受到人们的关注。健康医疗产业预防和数字化的基础是人体运动及生理参数的可穿戴/可植入监控技术，其对电子功能材料与器件的柔性，尤其是可延展性提出了迫切的需求。传统的刚性电子材料与器件面临着与人体表面、运动变形等不兼容的问题，柔韧、弹性的电子材料与器件是突破这一问题的必由之路，如何获得与人体兼容、满足人体运动和生理指标参数探测的高可靠性弹性电子材料与器件已经成为制约可穿戴/可植入运动和健康技术发展的瓶颈问题之一。
现有的弹性电子器件的表征测试通常都是在固定温度、湿度等环境下进行，这样得到的结果很难与弹性电子器件穿在人身上的实际应用场景相吻合，从而导致实验结果无法比较真实的反映实际的应用效果。因此，为了更加准确地表征弹性电子器件在人体穿戴的实际应用中的参数变化和可靠性等，本发明考虑人体的体温、出汗等环境条件，针对人体关节运动和呼吸运动等过程中人体出汗情况和体温变化等场景的变化，更加真实的表征弹性电子器件的应用性能。
专利文献CN 108501459 B公开了一种仿生皮肤、护具与仿生机器人，其中仿生皮肤包括功能层、控制执行层、感应层以及控制层；所述功能层可在受到冲击时提高硬度，且所述功能层的硬度可随温度的变化而调节；所述控制执行层具有用于调节所述功能层的温度的温控元件；所述感应层用于收集外部的信息，所述感应层包括压力传感器、温度传感器、形变传感器、速度传感器、位置检测装置、磁感应装置与光感应装置中的一种或其组合；所述控制层可基于所述感应层所检测到的部分或者全部的所述信息进行场景判断，并基于不同的场景控制所述控制执行层。该发明通过每层功能的配合，使得仿生皮肤具有情景交互的功能。但是该仿生皮肤只能从动作上模仿人体运动。
专利文献CN112606505A公开了一种仿生皮肤及仿生皮肤的使用方法，该仿生皮肤包括基体层及设置于所述基体层上的皮肤层，所述基体层被设置为施加影响手段而发生收缩，所述皮肤层在所述基体层发生收缩时与所述基体层分离并发生翘曲。该仿生皮肤能够使得仿生皮肤较为紧密地与人体皮肤贴合，同时保证线路连接的稳固。但是该发明只能反馈收缩时运动变化数据。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种仿生皮肤控制系统，该系统操作简单，能够控制仿生皮肤模仿人体排汗与体温变化。
一种仿生皮肤控制系统，包括：
排汗层，所述排汗层包括带有微流道腔体的基体层以及为基体层定量提供生理盐水的蠕动泵，所述生理盐水进入基体层后通过微流道腔体排出；
弹性加热层，所述弹性加热层包括覆盖在排汗层上的弹性层与封装在所述弹性层内的加热电路，所述弹性层上具有贯穿所述弹性层上下表面的多个排水口，所述排水口与所述微流道腔体对应设置并连通；
控制主机，所述控制主机包括排汗控制单元与温度控制单元；所述排汗控制单元用于控制蠕动泵，通过调节蠕动泵的输出转速来控制生理盐水的排出量；所述温度控制单元用于调节加热电路，通过调节加热电路两端的电压来控制加热的温度大小。
优选的，还包括与控制主机配套使用的人机交互界面，所述基体层内嵌有用于监控仿生皮肤实时温度的温度传感器；所述弹性层的表面嵌有用于监控仿生皮肤表面湿度的湿度传感器；所述仿生皮肤实时温度与表面湿度的数值均显示在人机界面上；便于根据获取的数值，计算出温度变化与加热电路的两端电压之间的非线性关系；计算出表面湿度与蠕动泵输出转速的非线性关系，从而完成模拟人体体温与排汗状态。
本发明还提供了一种仿生皮肤控制系统的制备方法，该方法可以获得具有模拟排汗与控制体温的仿生皮肤。
一种仿生皮肤控制系统的制备方法，包括：
S1制备弹性预聚体溶液，通过浇注的方式获得弹性基底；
S2制备液态金属，并采用图案化处理涂刷弹性基底获得带有加热电路的弹性基底；
S3将带有加热电路的弹性基底与湿度传感器一同封装，并放置在鼓风干燥箱中60～120℃固化2小时后获得弹性加热层；
S4选取低熔点金属加热至熔融状态，同时通过3D打印获得带有多个微流道腔体的可分型模具，在可分型模具中浇注，获得用于塑性成型的金属骨架，其中微流道腔体直径为0.5～1mm；
S5取浇注模具，将金属骨架布置在模具内，同时将温度传感器也置于模具中，浇注弹性预聚体溶液，放置在鼓风干燥箱中60～120℃固化2小时后，经过后续处理获得带有微流道腔体的基体层；
S6将制备好的弹性加热层贴附在基体层上，并加工出贯穿弹性加热层上下表层的排水口，所述排水口与所述微流道腔体对应设置并连通，获得具有排汗和控制温度变化的仿生皮肤。
优选的，所述液态金属为混合有铟、锡、铝中的一种或几种的镓基液态合金，其中制备方法具体为先将镓原料加入聚四氟乙烯坩埚中，在50～100℃的鼓风干燥箱内加热熔化，再将其他金属原料加入熔化后的镓中，以石墨棒搅拌溶解，且搅拌温度保持在50～100℃；冷却到室温后除去表面氧化膜，获得镓基液态合金。
优选的，所述低熔点金属为铋、镉、铟、锡、铝的一种或者几种。
优选的，所述金属骨架包括作为主干的实心管以及实心管外周面上对称设置的两个分支管。
优选的，所述实心管带有多对分支管，每两对分支管之间间隔1～20mm，间隔距离由3D打印模具决定。
优选的，所述S2中图案化处理的图案为S型，使得弹性加热层受热更充分，拉伸形变后加热层发热稳定。
优选的，所述S5中的后续处理具体为：
S5.1固化完成的基体层脱模后，对基体层加热，直至基体层内的金属骨架转换成熔融状态；
S5.2对应金属骨架的实心管一端与各分支管末端，分别开设一个为熔融金属排出提供动力的进气口与多个用于熔融金属排出的排出口；
S5.3从进气口通入高压气体，使得熔融金属从排出口排出基体层，从而获得带有微流道腔体的基体层；
S5.4等排完熔融金属后，通入0.5～1mol/L的NaOH溶液对基体层内部进行清洗；
S5.5等清洁溶液蒸发完毕后，将蠕动泵的供水端与进气口连通，用弹性预聚体将连接处与排出口进行封装，并放置在鼓风干燥箱中60～120℃固化2小时，获得具有排汗和温度变化的仿生皮肤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.可以模拟人体排汗功能与体温变化；
2.制备方法简单，便于批量生产。
附图说明
图1为本发明提供的一种仿生皮肤控制系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种仿生皮肤控制系统的系统示意图；
图3为具体实施例制备的仿生皮肤控制系统的加热温度与加热电路两端电压的关系图；
图4为具体实施例制备的仿生披风控制系统的蠕动泵功率与排汗量的关系图；
图中：1、微流道腔体；2、控制主机；3、湿度传感器；4、温度传感器；5、加热电路；6、人机界面；7、蠕动泵。
具体实施方式
如图1、2所示，一种仿生皮肤控制系统，包括：
排汗层，包括表面带有微流道腔体1的基体层以及为基体层定量提供生理盐水的蠕动泵7，生理盐水进入基体层后通过微流道腔体1排出；
弹性加热层，包括覆盖在排汗层上的弹性层与封装在弹性层内的加热电路5，弹性层上具有贯穿所述弹性层上下表面的多个排水口，其中排水口与微流道腔体1对应设置并连通；
控制主机，包括排汗控制单元与温度控制单元；
排汗控制单元用于控制蠕动泵7，通过调节蠕动泵7的输出转速来控制生理盐水的排出量；
温度控制单元用于调节加热电路5，通过调节加热电路5两端的电压来控制加热的温度。
还包括与控制主机配套使用的人机交互界面，基体层内嵌有用于监控仿生皮肤实时温度的温度传感器，其中每两个温度传感器之间间隔30mm；所述弹性层的表面嵌有用于监控仿生皮肤表面湿度的湿度传感器，其中每两个湿度传感器之间间隔30mm；所述仿生皮肤实时温度与表面湿度的数值均显示在人机界面6上。
该仿生皮肤控制系统的制备方法如下：
S1制备液态金属：根据原材料质量百分比来计，镓、铟与锡的各组分质量比为62.5:21.5:16，先将镓原料加入聚四氟乙烯坩埚中，在50～100℃的鼓风干燥箱内加热熔化，再将其他金属原料加入熔化后的镓中，以石墨棒搅拌溶解，且搅拌温度保持在50～100℃；冷却到室温后除去表面氧化膜，获得镓基液态合金；
S2选取方形模具，制备弹性预聚体溶液，浇入模具后，固化获得PDMS薄膜，其中弹性预聚体溶液具体制备过程为选用聚二甲基硅氧烷作为原料，以原料和固化剂的质量比为10:1的配比混合搅拌，静置15～30分钟待其气泡完全消失，得到澄清透明的PDMS溶液；
S3选取图案为S型的掩膜版，通过刮板将液态金属均匀的涂刷在PDMS薄膜上，获得带有加热电路的PDMS薄膜；
S4在加热电路两端接入可浸润的铜电极片，然后将PDMS薄膜放入模具中再次浇入PDMS溶液，放置在鼓风干燥箱中60～120℃固化2小时后进行封装，即获得弹性加热层，最后在弹性加热层表面嵌入湿度传感器3；
S5在鼓风干燥箱中将铟金属加热至熔融状态备用，通过3d打印获得带有多个微流道腔体的可分型模具，其中微流道腔体1直径为1mm，将可分型模具放入鼓风干燥箱进行预热，最后将熔融状态的铟金属浇注进可分型模具中，待室温冷却固化成型铟骨架，其中铟骨架包括作为主干的实心管以及实心管外周面上对称设置多组分支管，其中所有分支管都设于同一水平面上，每两对分支管之间间隔15mm；
S7选取方形且槽深高于铟骨架与温度传感器高度的模具，将铟骨架与温度传感器4同时放入模具中，其中每两个温度传感器4之间距离30mm；
S8往模具中浇入PDMS溶液，直至浸没铟骨架与温度传感器4，将模具放入鼓风干燥箱中以60～120℃固化2小时成型获得基体层；
S9将固化完成的基体层取出，让放入鼓风干燥箱进行升温处理，当温度达到铟金属的熔点之上，在实心管一端开出直径1mm的用于为熔融铟金属排出提供动力的进气口；在每个分支管的末端开出用于熔融铟金属排出的排出口；用高压风枪从进气口注入高压气体，将基体层内的熔融铟金属从排出口排出，从而获得带有微流道腔体1的基体层；
S10配置0.75mol/L的NaOH溶液作为清洁溶液，同样从进气口注入NaOH溶液对基体层内部进行清洗；
S11将蠕动泵的供水端与进气口连通，并用PDMS溶液对连接端与排出口进行封装固化获得排汗层；
S12在排汗层上表面涂覆一层PDMS溶液，将弹性加热层贴附在排汗层上表面后，放入鼓风干燥箱60～120℃固化2小时获得仿生皮肤；
S13通过打孔器在仿生皮肤上获得多个排水口，其中排水口为贯穿弹性加热层上下表面的通孔，排水口与微流道腔体对应设置连通。
分别启动蠕动泵与加热电路，通过人机界面记录湿度与温度的变化，获得加热电路两端电压与温度的关系如图3所示；以及蠕动泵的转速与湿度的关系如图4所示；
最后通过两个非线性关系来控制仿生皮肤表面温度保持在32～42℃，出汗量保持在0～20ml/min。
具体工作原理：在人机界面预设表面温度与出汗量，通过控制主机控制蠕动泵的输出转速，来调节生理盐水的排出量；控制加热电路两端的电压，来调节加热的温度大小。

Claims (7)

1.一种仿生皮肤控制系统，其特征在于，包括：
排汗层，所述排汗层包括带有微流道腔体的基体层以及为基体层定量提供生理盐水的蠕动泵，所述生理盐水进入基体层后通过微流道腔体排出；
弹性加热层，所述弹性加热层包括覆盖在排汗层上的弹性层与封装在所述弹性层内的加热电路，所述弹性层上具有贯穿所述弹性层上下表面的多个排水口，所述排水口与所述微流道腔体对应设置并连通；
控制主机，所述控制主机包括排汗控制单元与温度控制单元；所述排汗控制单元用于控制蠕动泵的输出转速，来控制生理盐水的排出量；所述温度控制单元用于调节加热电路两端的电压，来控制加热的温度大小；
所述仿生皮肤控制系统的制备方法，包括：
S1制备弹性预聚体溶液，通过浇注的方式获得弹性基底；
S2制备液态金属，并采用图案化处理涂刷弹性基底获得带有加热电路的弹性基底；
S3将带有加热电路的弹性基底与湿度传感器一同封装固化获得弹性加热层；
S4选取低熔点金属加热至熔融状态，同时通过3D打印获得带有多个微流道腔体的可分型模具，在可分型模具中浇注，获得用于塑性成型的金属骨架；
S5取浇注模具，将金属骨架布置在模具内，同时将温度传感器也置于模具中，浇注弹性预聚体溶液，S5.1完成固化的基体层脱模后，对基体层加热，直至基体层内的金属骨架转变成熔融状态；
S5.2对应金属骨架的实心管一端与分支管末端，分别开设一个为熔融金属排出提供动力的进气口与多个用于熔融金属排出的排出口；
S5.3从进气口通入高压气体，使得熔融金属从排出口排出基体层；
S5.4等排完熔融金属后，通入清洁溶液对基体层内部进行清洗；
S5.5等清洁溶液蒸发完毕后，将蠕动泵的供水端与进气口连通，用弹性预聚体将连接处与排出口封装固化；
S6将制备好的弹性加热层贴附在基体层上，并加工出贯穿弹性加热层上下表层的排水口，所述排水口与所述微流道腔体对应设置并连通，获得具有排汗和控制温度变化的仿生皮肤。
2.根据权利要求1所述的仿生皮肤控制系统，其特征在于，还包括与控制主机配套使用的人机交互界面，所述基体层内嵌有用于监控仿生皮肤实时温度的温度传感器；所述弹性层的表面嵌有用于监控仿生皮肤表面湿度的湿度传感器；所述仿生皮肤实时温度与表面湿度的数值均显示在人机界面上。
3.根据权利要求1所述的仿生皮肤控制系统，其特征在于，所述液态金属为混合有铟、锡、铝中的一种或几种的镓基液态合金。
4.根据权利要求1所述的仿生皮肤控制系统，其特征在于，所述低熔点金属为铋、镉、铟、锡、铝的一种或者几种。
5.根据权利要求1所述的仿生皮肤控制系统，其特征在于，所述金属骨架包括作为主干的实心管以及在实心管周面对称设置两个分支管。
6.根据权利要求5所述的仿生皮肤控制系统，其特征在于，所述实心管上带有多对分支管，每两对分支管之间间隔1～20mm。
7.根据权利要求1所述的仿生皮肤控制系统，其特征在于，所述S2中图案化处理的图案为S型。
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