活体状态下人脸皮肤力学性能实验研究

摘要

皮肤是指包裹在人体骨骼、肌肉外面的组织。一般来讲，人类以及绝大多数动物的皮肤为三层结构，分别为表皮层、真皮层和皮下组织，具有感知温度、抵御外界伤害、排汗、保持体温等功能。然而，人类在几万年的进化过程中，各部位的皮肤出现了一定程度的差异，比如，面部皮肤除了具备皮肤的一般功能外，还能够表征人类的心理活动，即可以通过面部皮肤的不同变形形式来传达自身内心情绪。
　　目前为止，人类对表情的研究仅仅停留在各种表情及其对应的面部特征上，对表情的形成机理研究尚不完善。原因在于若要分析表情的形成机理，必须要先得到皮肤的本构关系，但目前对面部皮肤力学性能的研究还存在诸多不足，特别是实验方法和实验设备开发等方面还有诸多问题。
　　本文提出一种适用于面部皮肤的力学性能测量装置，该装置配有步进电机，在步进电机的驱动下滚珠丝杠可使探针精确实现X-Y-Z三自由度的运动，探针驱动分辨率为0.01mm。加载仪器内部还装有微型拉压传感器和扭矩传感器，拉压传感器一端固定，另一端与探针相连，可直接测得探针与皮肤之间接触力，扭矩传感器可测得探针上两个方向的扭矩数值，并反推出探针端部的水平、竖直方向的径向力。此外，加载装置上设置两架CCD相机，对加载过程进行实时测量，可得皮肤表面在探针压入的过程中其形貌变化情况。
　　本研究测得三位志愿者面部四个区域接触力-探针位移曲线，根据Hertz接触力学理论，求得面部皮肤有效弹性模量E*=5.6kPa~11kPa，并发现皮下组织的厚度直接影响着皮肤的有效弹性模量，皮肤组织较薄的颧骨区域E*=9.3kPa~11kPa，较厚的嘴角及脸颊区域E*=5.6kPa~8.9kPa。本研究采用3D-DIC（三维数字图像相关技术）对皮肤表面变形场进行了测量，其变形场特征充分体现出皮肤的各向异性。本文为深入研究面部皮肤本构关系奠定了基础，也为面部生物力学研究提供实验数据和方法支持。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 皮肤力学性能研究现状

1.3 人体皮肤本构模型

1.4 本文主要研究内容

第二章 实验方案及理论基础

2.1 压入实验理论基础

2.2 数字图像相关方法

2.3 实验方案

2.4 本章小结

第三章 面部皮肤力学性能测量装置研发设计

3.1 实验装置系统设计

3.2 加载机构设计

3.3 测量系统

3.4 本章小结

第四章 皮肤力学性能测量装置可靠性分析

4.1 手臂压入实验

4.2 压入实验数值模拟

4.3 本章小结

第五章 面部皮肤力学性能实验研究

5.1 面部皮肤加载实验

5.2 实验结果及分析

5.3 面部皮肤三维变形测量

5.4 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢