人體皮膚摩擦行為的研究進展及其挑戰1)

韋慧心 * 王世斌 * 李林安 * 王志勇 * 李傳崴 *

*(天津大學機械工程學院，天津 300354)

?(南昌大學工程建設學院，南昌 330031)

皮膚覆蓋人體表面，直接與外界環境接觸，保護著體內各組織器官免受物理、化學、機械和病原微生物的侵襲，是人體抵御外界環境的第一道防線。日常生活中，皮膚會因勞動、運動、保暖、健康和美容等需求接觸多種材料，從而產生皮膚摩擦問題。對皮膚摩擦行為的深入研究，將推動化妝品、醫學、觸覺傳感器、機器人等眾多領域的發展，近年來受到越來越多的關注[1]。

皮膚摩擦在生活中隨處可見，人類一天中洗澡、剃胡須、皮膚護理、觸摸物體、挑選織物以及穿衣服等行為都離不開皮膚摩擦學[2]。皮膚的摩擦學特性不僅能評價護膚產品的使用效果[3-5]、織物的舒適性[6-8]，而且有助于研究皮膚病理學等相關熱點話題[9-14]。例如，織物領域，為了避免人類運動過程中產生水皰和潰瘍[15]，必須著重研究腳底皮膚、襪子和鞋之間的摩擦行為[16]。病理學評估方面，皮膚的摩擦特性已經被用于研究個體皮膚病過程[1]。此外，皮膚的摩擦行為與觸覺感知息息相關[17-18]，人類不僅能夠利用皮膚觸覺識別不同表面特征、空間特征、材料屬性的物體，還能基于觸覺檢測物體滑脫，實現對未知物體的精準抓握和靈活操作。2020 年9 月美國計算機社區聯盟發布第四版《機器人路線圖：從互聯網到機器人》[19]，明確指出未來15 年目標是研制和發展復雜機器手，其功能接近人類皮膚觸覺。理解皮膚觸覺正是進一步推動精細化機器觸覺的前提，其關鍵在于對皮膚接觸力學和摩擦行為的深入研究[20]。

作為一種生物材料，人體皮膚有著復雜的解剖結構，使其具備非線性、黏彈性、各向異性以及非均勻性等復雜的力學特性，在法向及切向力下呈現出“小載荷，大響應”特點，這些特性與皮膚的摩擦性能息息相關。此外，自身因素和外界因素都會影響皮膚摩擦性能。內部因素包括年齡、性別、健康狀況以及解剖部位等，外部因素包括滑動速度、接觸物體材質、化妝品和潤滑劑以及壓力等。然而，日常生活中摩擦行為無法直接表征，通常需要基于儀器化的設備來模擬皮膚和物體的接觸摩擦過程，進而收集實驗數據達到表征目的。表征過程還必須結合皮膚摩擦的理論模型，對關鍵參數進行測量和確定。隨著計算機技術的蓬勃發展，數值模擬方法近年來被引入，與實驗和理論方法形成補充，大大提高了研究效率。因此，本文圍繞人體皮膚的摩擦問題，將從解剖結構、理論模型、實驗手段、數值仿真以及影響因素等多個方面介紹其研究進展，最后提出一些有趣的討論和未來研究方向。

1 人體皮膚的解剖結構

1.1 結構特征

皮膚是人體最大的組織器官，起到保護內部組織和器官的作用。它由3 個主要部分構成：表皮層、真皮層和皮下組織，如圖1 所示[21]。這些組織主要由細胞外基質構成，其體積占比非常顯著，約占皮膚總重量的75%。此外，不同組織內其他組分存在較大差異。皮膚每一層微觀結構都不相同，并且有著獨特的結構和特性，共同發揮著保護、感知、調節體溫和維持身體完整性等重要功能。

圖1 皮膚的解剖結構Fig.1 The anatomical structure of human skin

表皮層是皮膚的最外層，最薄處為眼瞼區域，其厚度約為0.05 mm，手掌和腳掌處較厚，甚至能達到0.80～1.50 mm。該層從外到內的組成為：角質層、透明層（僅分布于手掌和腳掌）、顆粒層、有棘層和基底層[22-23]?；讓影瞬粩喾至训幕啄讣毎?、影響皮膚免受紫外線輻射的黑色素母細胞和少量作為軟觸覺傳感器的Merkel細胞[24-26]。有棘層主要由4～8 層帶棘突的多角形細胞構成，為基底層提供必要的營養成分。顆粒層含有2～3 個細胞層，不斷分泌脂質和蛋白質到細胞外空間，形成一個疏水的脂質包膜作為皮膚的主要機械屏障。角質層位于皮膚最外層，直接和外部環境接觸，主要由約20 層堅硬、扁平、無細胞核的死亡細胞組成。盡管角質層厚度僅10 μm 左右，但其在皮膚摩擦性能中發揮著關鍵作用[27-28]。表皮層具有防止水分流失和外界物質侵入的作用，并參與調節體溫，其微觀結構和摩擦性能在抓握物體和皮膚接觸過程中具有重要的作用。

外力作用下真皮層的力學性能極其關鍵，真皮層厚度為表皮層的數十倍，眼瞼厚度約為0.60 mm，背部、手掌和腳掌厚度約為3 mm。真皮層主要由兩層組成，乳頭層位于淺層，其特點是厚度薄且纖維細密，內含豐富的毛細血管、淋巴管、神經末梢及觸覺感受器等；網狀層位于深層，較厚且纖維粗大交織成網，并含有較大的血管、淋巴管及神經等。真皮層主要由纖維狀蛋白質、基質和細胞組成[29-31]。其中，膠原蛋白（占真皮層的80%～90%）和彈性蛋白（3%～6%）是提供皮膚優異力學性能的主要成分。由于纖維狀蛋白質的存在，真皮層通常被看成正交各向異性或者是纖維增強材料。此外，真皮層含有大量的毛細血管以及較大的動脈和靜脈血管，這些血管含有大量的血紅蛋白，同樣影響著皮膚的宏觀力學性能。

皮膚最內層是皮下組織[23]（一些研究不將其視為皮膚的一部分），其主要成分是脂肪細胞，中間含有豐富的血管、淋巴管、神經和表情肌。其厚度在不同部位存在顯著的差異，例如在臀部和大腿等區域相對較厚，而在手腕和腳踝等區域相對較薄。這種厚度差異是維持皮膚整體彈性和形態的重要因素之一。

1.2 生理學特征

皮膚中分布著大量的觸覺感受器以感知外界環境的復雜變化。例如，人類指尖每平方厘米觸覺感受器數目高達240 個，整只人手存在超過17 000 個感受器，如圖2 所示。這些觸覺傳感器主要包括4 種類型[32-34]：①慢適應感受器I 型（SA I）傳入，以Merkel 細胞結束，其對外部刺激的響應頻率為1～16 Hz，對低頻振動和精細觸覺敏感；②快適應感受器I 型（FA I）傳入，以Meissner 小體結束，其響應頻率為3～60 Hz，對靜態皮膚壓痕不敏感，但能較好地識別皮膚動態變形；③快適應感受器II 型（FA II）傳入，以Pacinian 小體結束，其在很寬的頻率范圍內（40～500 Hz）響應，對壓力和高頻振動反應非常敏感；④慢適應感受器 II 型（SA II）傳入，終止于Ruffini 末梢，可以在非常低的頻率范圍內（一般為幾赫茲）被激發，對皮膚拉伸敏感。這些觸覺感受器在位置、形態、功能上各不相同，感知外部刺激時發揮著不同的作用，一些對變形敏感（靜態觸摸），另一些對運動導致的振動敏感（動態觸摸），共同構成了人體復雜而高效的觸覺系統。Merkel 細胞和Meissner 小體位于皮膚淺層，Pacinian 小體和Ruffini 末梢嵌入更深。Merkel 細胞主要分布在真皮層中，并有少部分分散在表皮層。真皮層不僅分散著Merkel 小體，還有其他3 種觸覺感受器。Meissner 小體接近表皮層，長度為30～140 μm，直徑為40～60 μm，呈橢圓形，橢圓短軸平行于皮膚表面。壓覺感受器的Pacinian 小體也存在于皮下組織中，與深部感覺有著密切關系，對瞬時刺激非常敏感。

2 皮膚的摩擦性能的研究方法

2.1 摩擦理論

早期研究發現皮膚與其他物體的摩擦滿足庫倫定律[35]。庫侖摩擦定律是指兩個表面之間摩擦力F跟表面的接觸面積無關，而與作用在摩擦面上的正壓力FN成正比，斜率被定義為摩擦系數μ，是評定摩擦性能的重要參數，表達式為

目前庫倫摩擦定律在織物舒適性研究方向仍然應用廣泛[36-37]，例如，Morrow[38]采用摩擦系數μ來表征織物和皮膚之間的摩擦特性。隨著研究的不斷深入，皮膚類軟材料表現出顯著的非庫倫特性，越來越多的學者嘗試基于臨界剪切應力τ 和接觸面積A共同確定界面摩擦力[39]

該模型主要考慮摩擦過程中的黏著特性。對于軟材料，Greenwood 等[40]認為變形損耗在摩擦過程發揮著較大貢獻，不能忽略。Bowden 等[41]經過大量的實驗研究，建立了較完善的兩項摩擦理論，對于現代摩擦學理論發展具有重要意義。該研究認為摩擦力F可以表示為黏著分量Fint和形變分量Fdef的總和

皮膚同樣表現出大變形和黏彈性特性，Adams等[42]將兩項摩擦理論用于皮膚，確定了皮膚和壓頭之間的摩擦系數。其中，黏著機理被認為是人體皮膚摩擦的主要因素，而變形機理被認為起著次要作用[42-43]。一些研究推導了黏彈性材料的二維接觸理論，例如圓柱/平面的滑移和滾動模型[44-49]。這些模型無法解釋三維摩擦現象，例如手指和物體之間的摩擦問題[50]?；诖?，科研人員開始致力于提出能夠用于各向同性以及各向異性材料的三維滑動和滾動的摩擦理論[40,51-56]，盡管目前相關模型仍不完善。

研究皮膚的摩擦問題時，接觸面積的確定非常關鍵。對于球形/平面三維接觸問題，接觸面積A對法向載荷的依賴性可以用Hertz 模型[57]描述

式中，E?為兩種材料的等效彈性模量，R為球形壓頭半徑。然而，Hertz 模型是在線彈性小變形假設條件下建立的，在描述皮膚類軟材料的大變形響應時可能會產生較大偏差。Sneddon[58]推導了考慮幾何非線性的接觸理論模型，其結果與軟材料實驗結果更為接近。Derjaguin 等[59]認為接觸區域外固體表面存在黏著力，提出了Derjaguin–Muller–Toporov（DMT）接觸理論，接觸面積A可以寫成

式中，Fadh為黏著力。與DMT 理論不同，Greenwood 等[60]和Johnson 等[61]忽略了接觸區域外的黏附行為，而是考慮接觸區域內的黏著力，認為接觸邊緣的彈性應力是無限大的，提出了經典的Johnson–Kendall–Roberts（JKR）接觸模型

Maugis[62]將接觸區域外的黏著力表示為階躍函數，給出了介于JKR 和DMT 模型的過渡解。Hertz 模型、JKR 模型以及DMT 模型等都被證明在一定程度上能夠研究皮膚和球形壓頭的接觸問題[63-66]。然而，這些研究通常假設接觸區域為圓形，實際上由于這些材料“小載荷，大變形”的力學特性，摩擦過程中會出現面積縮減、接觸各向異性等效應。為了考慮這種不規則接觸形狀，逐漸發展了基于斷裂力學[67-70]和有限變形[71]方法的摩擦理論模型。

上述摩擦和接觸理論主要用于動摩擦階段皮膚類軟材料摩擦行為的研究，而針對靜摩擦的理論模型非常少。Deladi 等[72]和Barquins[73]建立了橡膠–金屬材料的靜摩擦模型，能夠描述軟材料摩擦過程中的黏滑現象。Sahli 等[74]提供了一種全新思路，基于實驗結果給出了一個經驗公式來描述靜摩擦階段面積隨著切向力的演化規律

式中，A0為F=0 時的初始接觸面積，α為擬合參數。

這些接觸模型主要針對均勻區域的理想模型，而真實的人體皮膚表面是粗糙的。由于個體和解剖部位的差異，人體皮膚的粗糙度在10～200 μm范圍內變化。粗糙表面實際上是由大小不一的微凸體組成，接觸通常認為是發生在這些微凸體上，導致真實接觸面積與理論值相差較大?；诖?，近年來學者們提出了一些粗糙表面的接觸模型，旨在更真實地模擬接觸狀態[75-79]。Greenwood等[80]將兩個粗糙表面的接觸等效為1 個光滑的剛性平面和1 個粗糙表面的接觸，提出了基于統計的Greenwood–Williamson（GW）接觸模型

式中，σs和R?分別是微凸體高度分布的標準差和曲率半徑平均值。該模型為研究粗糙表面之間的接觸理論奠定了基礎，至今仍被廣泛接受和應用，同樣也適用于皮膚的接觸模型[81]。值得一提的是，式(7)對應的靜摩擦模型對于粗糙表面的接觸問題依然成立[74]。

由于表面紋理的影響，皮膚摩擦還表現出與時間相關的特性。1925 年，Katz[82]同時考慮粗糙紋理的“空間感”和精細紋理的“振動感”，提出了皮膚觸覺感知的雙工模型[83-84]。由于人類皮膚與物體表面接觸過程中表面紋理與振動信號功率譜之間關系密切，一些學者基于摩擦力和振動信號的響應規律，提出了考慮摩擦振動的動力學模型[85-86]。除了表面紋理外，摩擦過程中速度和剛度[87]、扭轉剛度和角速度[88]、接觸應力和拓撲[89]、阻尼[90-92]導致的黏滑現象[93]同樣會引起振動。

2.2 實驗方法

皮膚作為一種活體組織，在機械力下會做出反應和適應，例如產生汗液、釋放生物標志物，甚至產生水泡或傷口。皮膚這種特殊的摩擦特性依賴于個人特征和解剖特征。由于皮膚相互作用的復雜性，許多潛在的物理機制仍有待發現，實驗研究對于理解皮膚摩擦學非常關鍵[94]。本文主要從相對運動類型和應用范圍對現有的實驗設備和技術方法進行介紹。

2.2.1 相對運動類型分類

自20 世紀60 年代，隨著各行各業對皮膚摩擦行為研究的高度關注，學者們發展了各種各樣的實驗方法來評估皮膚的摩擦行為。按照皮膚和摩擦設備的相關類型可以分為4 種，分別是：滑動、扭轉、滾動以及自驅動[27]，如圖3 所示。

（1）滑動?；瑒邮悄Σ翆W中最常用的概念，通常通過控制不同材料和不同形狀的壓頭進行線性運動或者往復運動滑過受試者皮膚實現加載，如圖4(a)所示。皮膚與物體接觸時，往往通過滑動行為來感知物體，是生活中最常見的一種形式，包括皮膚與織物舒適性評估、手與物體抓握行為等。Naylor[95]設計了一臺恒定速度和恒定垂直載荷的摩擦儀，能夠連續記錄加載過程中的摩擦力，是最早表征皮膚摩擦性能的學者之一。微摩擦儀[96]能夠控制加載速度和幅值，廣泛應用于研究皮膚的摩擦問題。Asserin 等[97]開發了一種通過不同質量的圓盤獲得法向載荷、電機驅動獲得切向載荷的摩擦裝置，實現了活體皮膚摩擦力的精確定量測量。Morales-Hurtado 等[98]采用特溫特大學設計的真空黏合劑和摩擦儀在離體皮膚上進行了一系列拉脫和摩擦測量，闡明了不同條件下（干燥、濕潤以及油性）黏附作用對摩擦系數變化的影響。李宏凱等[99]研發了一種便攜式的摩擦性能測試儀，能夠提供0.2～2.0 N 的法向壓力和10～60 mm/s 的滑行速度。Flynn 等[100]研制了新型力敏微型機器人，可以得到皮膚法向和任一方向切向滑移下的力–位移曲線。Inoue 等[101-103]開發了含雙軸力傳感器的摩擦裝置，能夠精確控制加載速度，以表征皮膚與不同硬度人造皮膚的摩擦系數。由于活體皮膚并不是理想平面，Wyder–Hodge 等[104]提出了一種便攜式手持摩擦儀，能夠同時得到皮膚摩擦力和表面形狀，結合曲率校正技術估算了曲面上法向力和切向力，減少了由于表面形狀差異導致的摩擦測量誤差。Temel 等[105]發展了一種新型的摩擦測試裝置，能夠測量皮膚–紡織品的相互作用力。以Fagiani 等[106]為代表的學者，借助加速度傳感器測量了人手指尖觸摸含硬質柵欄表面物體的振動信號，并對振動信號進行傅里葉頻譜變換，探究了振動譜諧波最高峰所在頻率、諧波最高峰幅值與物體表面粗糙度之間的關系。研究表明，隨著表面粗糙度的增加，諧波最高峰所在的頻率逐漸減小，而諧波最高峰幅值逐漸增大。

圖4 典型人體皮膚摩擦裝置[81,105,126,130]Fig.4 Typical friction device of human skin 81,105,126,130]

盡管研究人員設計了各種各樣的裝置來表征皮膚摩擦性能，但由于壓頭遮擋，傳統的摩擦裝置無法獲得接觸區域的詳細信息[42,107-108]。各種實驗手段逐漸被用于測量壓頭和皮膚類軟材料之間接觸區域的形狀，主要包括直接法和間接法[109]。接觸電阻測量是一種典型的間接測量方法，但其精度不高，已經無法滿足目前的研究[110-111]。近年來，光學方法作為一種直接檢測接觸的方法得到了快速發展，其測試系統主要分為兩類。一類方法是要求材料透明[112-113]，然而這種方法僅限于研究透明材質仿生皮膚的摩擦問題，無法直接應用于人體皮膚。另一類方法是使壓頭透明，獲得摩擦過程中接觸區域的變化[114-117]。Sahli 等[74]將壓頭設計為平整光滑的玻璃板，采用工業相機透過玻璃板進行實時拍攝，能夠獲得仿生皮膚和手指皮膚二維接觸區域的變化。為了同時獲得法向和切向載荷以及三維（3D）接觸區域的面積，Johannes 等[118]提出了一種基于顯微壓痕的可視化系統，將熒光微球嵌入壓頭和水凝膠樣本中，通過對壓頭和水凝膠表面進行熒光成像來實現接觸面積的測量。Guan 等[119]對壓痕裝置進行了改進，對接觸區域進行可視化，同時獲得了壓入和滑移方向的力位移曲線和高分辨接觸圖像。Delhaye 等[117,120]設計了一個摩擦機器人對滑動過程中手指和光滑透明玻璃之間的接觸表面進行成像，基于此測量了接觸區域皮膚的應變。近年來，墨水印刷、光學相干斷層掃描和數字圖像相關等方法逐漸被用于皮膚與接觸物體表面摩擦行為的研究[121]。

（2）扭轉。該方法旋轉軸垂直于皮膚表面，如圖4(b)所示，通過測量探頭保持恒定角速度時所需的扭矩研究皮膚摩擦問題，例如臨床中皮膚活檢的鉆孔技術以及皺紋的產生等?；谂まD的測量裝置缺點是無法評估皮膚的面內各向異性。El-Shimi 等[122]使用高度拋光的不銹鋼圓盤和半球形探頭，研究了活體狀態下干燥皮膚和水潤皮膚的摩擦性能，發現在旋轉過程中皮膚表面會產生“起皺”或“扭曲”，并且較高法向載荷下更為明顯。Hendriks 等[81]采用聚四氟乙烯壓頭開發了一個便捷式的旋轉環式原位測量裝置，獲得不同身體部位的摩擦力，基于測得的摩擦扭矩確定了摩擦系數。Du Bois De Dunilac 等[123]定制了能夠控制法向力和旋轉速度的扭轉裝置，配備光學裝置以實現接觸表面的實時原位成像，在此基礎上研究了7 名成年受試者（4 名男性）右手食指純扭轉下的表面皮膚動力學行為。

（3）滾動。該方法旋轉軸平行于皮膚表面[124]，如圖4(c)所示，在測量皮膚摩擦行為中應用較少。然而這種類型的摩擦在日常生活中非常常見，例如體操運動員手部和單杠之間的接觸、按摩儀器的運動過程等。Highley 等[125]設計了一種基于旋轉摩擦技術的實驗裝置，通過壓頭在皮膚表面平行旋轉實現加載，驅動實驗裝置不同方向上連續運動并實時測量數據，進而研究皮膚的面內各向異性。Veijgen 等[126]設計了一個法向和速度均可控可變的小型手持式便捷摩擦裝置，能夠獲得不同皮膚區域的摩擦數據。

（4）自驅動。該方法需要人為控制皮膚與裝置發生滑動或者扭轉摩擦，采用傳感器記錄這個過程中的摩擦力和變形來研究皮膚摩擦行為，如圖4(d)所示。日常生活中，人類主動觸摸感知外界變化通常都是采用該方法。Masen[127]提出了一種含6 自由度傳感器的觸覺摩擦實驗方法，該方法要求受試者在傳感器上移動食指獲得摩擦過程中的實驗數據集。Derler 等[128]分別使用三軸測力板和壓敏膜測量了實驗過程中摩擦力和接觸面積，研究了法向載荷對皮膚–玻璃摩擦行為的影響。Arakawa 等[129]要求受試者通過手指按壓和滑動來探索接觸物體，采用心理和物理實驗相結合的方法評估接觸材料柔軟度。Lee 等[130]基于光學相干層析成像系統對接觸區域進行可視化，研究了手指在不同幾何形狀凹槽上滑動時的形態變化。

2.2.2 研究領域分類

皮膚摩擦學的應用領域非常廣泛，包括化妝品和護膚品[131]，與皮膚狀況、老化、皮膚損傷、傷口愈合和假肢相關的皮膚病學問題[132]，醫療和運動[133-135]，紡織品[136-138]，觸覺、觸摸特性[139-140]和人體工程學等[1,141]。摩擦系數本身不是一種材料屬性，而是一個系統參數[127]，這意味著它取決于兩種接觸材料的組合，因此本節將根據應用領域進行分類，介紹皮膚摩擦性能的相關研究進展。

（1）護膚品領域。護膚品往往通過改變皮膚表面粗糙度和含水量形成濕潤、柔軟以及光滑的觸感。使用護膚品后，皮膚表面的摩擦和黏附性能發生顯著變化，成為評估護膚品使用效果最直接的方法之一[43]。通過測量摩擦特性來研究保濕劑以及磨砂霜等護膚品使用效果已經取得了長足的發展[142]。Ramalho 等[143]開發了能夠控制法向和切向載荷的摩擦裝置，通過測量自然狀態、洗滌狀態、乙醇沖洗、凡士林以及甘油作用下皮膚摩擦力，評估了保濕劑對皮膚摩擦行為的影響。為了對化妝品進行感官評估，Egawa 等[144]采用摩擦分析儀測量了表面摩擦特性（摩擦系數和平均偏差），發現摩擦特性與感官評估之間存在相關性。

（2）紡織材料領域。紡織品具有粗糙表面和復雜機械行為，是人類生活的必需品之一[145]。皮膚–織物的接觸和摩擦行為直接決定該產品的舒適性，在織物生產過程中應盡量避免織物與皮膚接觸摩擦導致起泡和瘡傷等。1986 年，Gwosdow等[146]采用彈簧秤記錄了不同織物劃過志愿者前臂內側皮膚的摩擦力，研究了溫濕環境下摩擦對織物質地和舒適性感知的影響。之后，Kenins[147]使用拉力計拉動搭在人體前臂或食指上的織物，分析了不同織物纖維類型、表面形貌以及克重對皮膚–織物摩擦行為的貢獻。Kondo[148]對KESSE 摩擦測試儀進行改進，測量了人體皮膚與織物之間的摩擦系數，發現摩擦系數隨著角質層含水率的增加呈指數型增長?？椢铷C皮膚界面內的汗水會增加摩擦力，引起黏性感，并加劇穿著不適。為減少摩擦并提高穿著舒適性，Fang 等[149]采用含三軸力傳感器的摩擦裝置和腦電設備系統地研究了織物–皮膚的摩擦行為和濕織物黏性感知中的認知機制。Baussan 等[150]開發了一種往復式線性摩擦儀，能夠測量跑步過程中仿生皮膚（人造革）和運動襪之間的摩擦接觸行為。Camillieri 等[151]將往復式織物摩擦計和觸覺摩擦儀相結合，研究表明手指形態和力學性能的改變都會影響皮膚–織物摩擦性能。Temel 等[152]開發了便捷式的手持摩擦設備，測量了皮膚–織物的摩擦系數，發現局部皮膚溫度與摩擦系數呈正相關?？傊?，通過引入各種實驗裝置，能夠評估包括纖維材料、紗線設計、表面結構和織物結構在內不同特性織物的舒適性[153-157]。目前，學者們已經開發了許多實驗裝置和方法來研究皮膚–紡織材料的摩擦行為，對新型織物的開發和設計發揮著重要的作用，可詳見國內外相關綜述文章[136-138]。

（3）醫療領域。一方面，摩擦特性能夠反映皮膚表面的物理和化學性質，有助于研究個體皮膚病病變和瘡傷的形成和康復。Lodén 等[10]采用帶振蕩鋼板探針的摩擦裝置非傾入性地測量了特應性皮炎患者和健康志愿者之間的摩擦力，對比發現健康志愿者的摩擦力更高，實現了基于摩擦性能的皮膚病評估和診斷。Li 等[158]采用往復式醫學微型摩擦儀研究了依次遭受創傷、康復和自我適應過程中兔子皮膚的摩擦行為。在之后的論文中，他們發現摩擦瘡傷和康復過程中，前20天摩擦系數降低，20 天后增加，27 天后達到穩定階段[132]。另一方面，醫用手套、假肢等醫療設備和醫護用品的開發同樣依賴于皮膚的摩擦性能的表征[159]。Carré等[160]提出了一種能夠感應振動的摩擦測試裝置，研究了使用醫用手套對皮膚觸覺探索的影響。Henao 等[133-134]設計了一種新型的手持式摩擦儀，通過電機扭矩評估摩擦力，確定經股骨截肢患者假肢和殘肢之間的摩擦系數。

（4）觸覺感知。盡管物體的表面特征（表面紋理、顆粒感、黏著度）、空間特征（形狀、體積）、材料屬性（軟硬度、密度、黏度等）均不相同，人類皮膚仍然能夠依靠觸覺感知能力實時反饋調節，進而識別、抓握和操縱各種物體。人類皮膚能夠通過觸摸和滑移分辨氟化烷基硅烷（分子直徑為0.206 nm）和硅羥基（分子直徑為0.203 nm）這兩種單分子層的差別，皮膚接觸和摩擦行為在其中起著極其重要的作用[161-163]。Li 等[164]使用UMT-Ⅱ摩擦儀測量了不同法向力下（0.2 ～1.0 N）皮膚的摩擦系數，結合生理監測儀器確定了皮膚電導、溫度和腦電圖等生理信號，共同探索摩擦系數和舒適度的相關性。Cesini等[165]和Massi 等[166]為了明晰手指滑動過程中與振動相關的觸覺感知機理，設計了一款Tribotouch摩擦儀，該摩擦儀能夠測量和再現摩擦力以及摩擦引起的振動。Kl?cker 等[167-169]開發了能夠預定義法線、切線、旋轉方向速度和位移的實驗裝置，發現表面特性（即摩擦力波動和凈摩擦）與其舒適度存在顯著相關性。之后，該團隊還結合高保真摩擦調制超聲波設備，實現指尖的受控摩擦[170-171]。Skedung 等[172-174]設計摩擦裝置時引入了三分量壓電力傳感器和電荷放大器，研究了摩擦性能、表面粗糙度和觸覺感知之間的關系。Chimata 等[175-176]采用接觸式輪廓儀和三軸測力計，研究了表面紋理特征、摩擦性能對皮膚觸覺的影響。Tanaka 等[177]利用振動位移傳感器，測量了指尖劃過不同砂紙表面時皮膚振動信號，發現砂紙顆粒越大，振動越小。皮膚摩擦在抓握以及觸覺感知中起著至關重要的作用，相關研究發表和引用近年來呈指數型增長，可詳見綜述[139-140]。

2.3 數值仿真

皮膚是人類身體抵御外部環境的第一道防線，通過機械、電、熱、生物、化學和磁等形式激勵實現與外界環境的信息交換[178]。皮膚與物體接觸引起的皮膚變形和振動能夠感知外部環境，其關鍵在于深入理解人類皮膚的接觸力學和摩擦行為?；诜蔷€性有限元接觸均質化程序，Stupkiewicz等[179]和Leyva-Mendivil 等[180]建立了正交各向異性的摩擦模型，如圖5(a)所示，分析了接觸法向力、皮膚微觀結構、接觸物體大小以及摩擦系數之間的關系。Leyva-Mendivil 等[180-181]基于解剖學和Abaqus 軟件建立了人體皮膚的二維多層有限元模型來模擬各種尺寸壓頭在皮膚表面的滑動行為，如圖5(b)所示。這些研究大多局限于二維模擬，實際上皮膚在三維空間中具有豐富的特征。Yoshida 等[182-183]利用核磁共振方法建立了指尖的三維有限元模型，如圖5(c)所示，提出了一種結合實驗和有限元的技術，分析了指尖的摩擦行為。Xing 等[15]基于有限元方法模擬皮膚摩擦起泡行為，研究了摩擦系數、磨損材料剛度、皮膚與材料之間的非線性動態接觸以及起泡幾何形狀對起泡變形和應力的影響。Dai 等[16]建立了用于模擬足–襪–鞋墊接觸的三維有限元模型，研究了不同摩擦性能的襪子對步態站立階段動態足底壓力和剪切應力的影響。Tiell 等[7]使用Adams 軟件開發一個多體動力學仿真方法來模擬皮膚–襪子和襪子–傳感器接口處的摩擦行為，研究了襪子剛度對皮膚剪切測量精度的綜合影響。Diosa 等[184]通過創建不同幾何形狀的微浮雕皮膚表面模型，如圖5(d)所示，在微尺度下闡明年齡對皮膚–球形壓頭壓痕和滑動響應的影響。為了模擬皮膚大變形問題，陳思等[185]提出了一種基于有限元和光滑粒子動力學耦合算法，模擬尖刺刺入和平板摩擦仿真試驗。數值方法為皮膚摩擦行為的研究提供了一種便利的手段，近年來發展迅速。

圖5 幾種模擬皮膚摩擦的數值模型[179,181-182,184]Fig.5 Several simulation models for skin friction[179,181,182,184]

3 人體皮膚摩擦行為的影響因素

皮膚作為一種活體材料，其摩擦行為的影響因素多種多樣，為研究增加了難度。自身因素如：健康狀態、年齡、性別、解剖部位以及遺傳因素等。外界因素如：濕度、溫度、護膚品應用等。這些因素通過改變皮膚的物化性質影響皮膚的摩擦特性。此外，實驗采用的滑動速度、接觸面積、法向載荷以及接觸材料的材質等都會影響皮膚摩擦性能的表征。由此可見，皮膚摩擦學的研究比一般摩擦學問題更為復雜。本節從主要影響因素出發，總結和整理目前關于皮膚摩擦的研究進展。

3.1 粗糙度與表面紋理

人體皮膚的表面形貌與身體解剖部位息息相關，不同部位的粗糙度和表面紋理不同，導致其摩擦性能存在差異。由于實驗設備的限制，早期研究認為摩擦系數與皮膚表面粗糙度的相關性并不顯著[1,144]。隨著研究的深入，Nakajima 等[14]通過輪廓測量和摩擦測量相結合的方法評估了皮膚形態和摩擦系數的相關性，發現皮膚表面粗細線條形成的圖案（包括長度和深度）會影響摩擦系數。

此外，測量皮膚摩擦系數時，接觸壓頭表面的粗糙度同樣發揮著重要的作用。Hendriks 等[81]分別用材質為鋁、黃銅、鋼和硬質工程塑料定制了不同材質的接觸壓頭，對臉頰和前臂開展了大量的摩擦實驗，發現隨著表面粗糙度的增加，摩擦系數顯著降低。結果表明，堅硬物體與皮膚之間的摩擦系數隨著表面粗糙度的增加而降低[128,186-187]。Derler 等[188]基于兩項摩擦模型分別研究了從微米到毫米范圍內的表面微觀結構對足底皮膚–硬質基底滑動摩擦行為的影響，發現表面微觀結構的貢獻非常大。

3.2 水合作用

皮膚水合作用取決于皮膚表面的水分，水分增加通常會改變兩種材料之間的黏附性能和摩擦力[189]。研究表明，潮濕條件下皮膚的摩擦系數是干燥情況下的1.5～7 倍[1,10,157,190]。El-Shimi 等[122]和Sivamani 等[191-192]均發現皮膚含水量與摩擦系數之間存在相關性。因此，一些學者嘗試采用線性[193]、冪函數[14]、指數[194]以及鐘形曲線[195-196]等函數形式描述含水量與摩擦行為之間的定量關系。鐘形曲線行為表明，如果皮膚足夠濕潤，摩擦行為將從邊界潤滑過渡到混合潤滑。Tomlinson等[196]發現最初摩擦力的增加是皮膚吸水引起的，這個過程中接觸面積發生明顯的增大。此外，外部環境同樣會影響皮膚的含水量，皮膚與金屬[81,196]、織物[147,197]和玻璃[128]等材料在非常潮濕的氣候或潮濕的條件下接觸時，摩擦力甚至比干燥滑動條件下高2～4 倍。這種變化可以通過黏性剪切、吸水性和毛細管黏附來解釋[196]。Mahdi等[198]發現在干燥狀態下皮膚變形摩擦占總摩擦的20%，在較高滑動速度和法向載荷下潤滑狀態變形摩擦對總摩擦的貢獻甚至能達到50%。

人體皮膚和接觸材料之間的親水/疏水作用也會影響皮膚的水和作用和摩擦特性[42,154,196,199]。例如，Adams 等[42]分別用疏水性的聚丙烯和親水性的玻璃壓頭在前臂皮膚上進行摩擦實驗，發現使用玻璃壓頭的摩擦力較低，這是由于玻璃與皮膚之間形成了更穩定的潤滑膜。Tomlinson 等[196]采用具有相似表面粗糙度的鋼和聚丙烯壓頭進行實驗，發現高親水性的鋼壓頭與皮膚之間的摩擦系數更低，得到了同樣的結果。此外，在含水量和粗糙度相同的情況下，不同解剖部位皮膚的親水性也有顯著差異，這是由于富含皮脂的皮膚親水性更強[200-201]，從而表現出更高的摩擦力[199]。然而，Cua 等[193]認為皮膚皮脂含量與摩擦力之間的相關性較弱，所以皮脂對皮膚摩擦的影響有限。目前對于是否考慮皮脂仍然存在爭論，之后需要更為全面的理論和實驗研究充分闡明皮脂對皮膚摩擦特性的影響[1]。

3.3 加載速度

早在1963 年，Grosch[202]就發現橡膠類仿生材料滑動過程中摩擦力會隨著速度的增加而增加，通過引入黏性剪切損耗可以解釋這種現象。之后，Tang 等[96]將實驗過程中的滑動速度從0.5 mm/s增加4.0 mm/s 得到了相似的結果，并通過能量平移示意圖解釋了滑動速度對皮膚摩擦特性的影響。其中，變形摩擦分量隨著彈性滯后造成的能量損失增加而增大，此時“黏滑”現象也變得更明顯。Johnson 等[66]使用冪律表達式描述了摩擦系數隨滑動速度（0.25～33 mm/s）的增加而增加。Zhang 等[155]確定了轉速從25 r/m 增加到62.5 r/m過程中的摩擦系數，發現摩擦系數與轉速呈現正相關。Mahdi 等[198]使用滾動和滑動方法確定黏著和變形摩擦的相對貢獻，基于損耗半徑因子定量研究了滑動速度對變形摩擦的影響。

3.4 法向力

Adams 等[42]采用傳統的Tabor-Eldredge 儀器配合球形壓頭測量了前臂內側的摩擦力，觀察到摩擦系數隨著法向力的增加而降低，并采用摩擦黏附模型解釋了這種現象。Tang 等[96]發現當法向載荷從0.1 N 增加到0.9 N 時，皮膚摩擦系數顯著增大。研究表明黏附和變形共同決定皮膚的摩擦行為，法向力的大小會影響摩擦系數的測量。Ramalho 等[143]發現在不同法向載荷下手掌的摩擦系數變化不明顯，但是手臂皮膚表現出雙坡度的摩擦機制。Derler 等[128]認為不同機制（黏附、變形以及潤滑）起主導作用時皮膚摩擦系數對于法向載荷的依賴性存在差異，為研究皮膚復雜摩擦機制提供了新的見解。

3.5 種族、性別和年齡

現有研究表明皮膚摩擦在不同種族之間沒有顯著差異[3]。但對于性別和年齡，不同研究得到的結果存在較大的差異。最初學者們認為性別和年齡對于皮膚摩擦行為沒有明顯影響[3,9,144,186,193,203]。Elsner 等[204]測量了44 名健康女性志愿者的摩擦系數，發現其與年齡、體重、身高無關。Gerhardt等[154]發現盡管老年人的皮膚彈性顯著降低，但年齡組之間的皮膚摩擦性能沒有明顯差異。在該作者的另一項研究中觀察到盡管女性和男性的皮膚黏彈性行為一致，然而女性皮膚的摩擦表現出更高的水分敏感性，這種效果歸因于女性皮膚水合作用下形成更大的真實接觸面積[197]。李宏凱等[99]研究發現，手背、手掌、前臂屈側、前臂伸側、前額部位皮膚摩擦系數與性別的相關性較小，但女性臉頰部位皮膚摩擦系數遠大于男性。Zhu 等[190]招募了633 名志愿者，發現皮膚摩擦系數隨年齡、性別和身體部位的變化而變化，并且與某些身體部位角質層水合作用呈正相關。

3.6 身體解剖位置

不同解剖區域的皮膚摩擦特性存在較大差異，在皮膚水合作用較高的區域摩擦力和摩擦系數更大。簡而言之，手指、手掌和前額的摩擦系數比腹部、大腿和下背部更大[9,81,128,190,193,204-206]。樊鳴鳴等[207]測量了6 個不同解剖部位的皮膚摩擦系數，發現不同解剖部位按照摩擦系數大小排序均為：臉頰>手掌>前額>手背>手臂屈側>手臂伸側。Hendriks[81]研究則認為臉頰上的摩擦系數通常低于前臂（特別是在較高的環境濕度下），猜測是胡須的存在改變了其摩擦行為。盡管不同解剖位置毛發分布不同，但是毛發對人體皮膚摩擦行為影響的相關研究較少，目前仍然是一個未知且有趣的研究課題。

3.7 其他因素

Liu 等[208]使用“Cutometer”摩擦儀和光學相干斷層掃描技術，研究了皮膚力學和結構特性如何影響人類手指的摩擦行為。Gwosdow 等[146]通過將8 名男性暴露在不同溫度條件下，研究了溫度對皮膚織物質地和舒適感（可接受性）感知的影響。Choi 等[209]采用摩擦實驗研究了表面溫度對電黏合的影響，發現表面溫度會影響用戶對電黏觸摸屏的感覺，特別是在接觸滑動早期階段。

4 結語

皮膚摩擦涉及生物學、力學、摩擦學、醫學以及神經科學等多學科交叉，因此強化交叉科學研究是皮膚摩擦學研究的必然選擇。此外，皮膚結構非常復雜，是一種典型的不均勻材料，目前關于人體皮膚的摩擦行為研究主要集中在組織尺度，即厘米量級。為了研究不同因素對皮膚的影響，必須將皮膚放大到從百微米到幾毫米的介觀尺度。介觀尺度下皮膚與接觸物體之間的摩擦依賴于該尺度下的力學行為：不同皮膚層的力學性能、接觸過程中的組織變形以及皮膚的微觀結構。然而，現有研究對該尺度下的皮膚力學和摩擦行為的認知仍然較少[184]。作為活體組織，皮膚還具有自愈合、自修復的特點，其摩擦性能處于動態變化中，這種特性為對其深入研究帶來了極大的困難。

由于 “低模量，大變形”的特點，在摩擦過程中皮膚隨著切向力的增加產生面積縮減、接觸各向異性、黏滑效應等現象，采用傳統的摩擦模型已經不足以進行解釋和描述[118,120,210-213]。理論方面，還需要一種考慮皮膚材料超彈性、黏彈性、各向異性以及表面粗糙的摩擦模型，完善皮膚的接觸模型和摩擦理論。此外，在手與物體還沒有發生完全滑移的過程中，人類就已經利用其觸覺感知能力調節握力大小，防止物體脫落，提供這種早期觸覺信息的物理和感知機制目前還不明確[214-215]。這主要是目前關于皮膚材料靜摩擦階段的理論模型極其匱乏。雖然存在一些模型[72-73]能夠描述軟材料切向力下的黏滑現象，但是由于切向力導致接觸區域形狀發生改變，模型的適用性存疑[216]。實驗方面，一方面亟需開發能夠獲取大量數據的在體實驗測試手段來觀測和量化摩擦過程中皮膚的變形。另一方面皮膚表面含有大量的微觀特征，這種特征與皮膚的宏觀力學和摩擦性能密不可分。因此，為了系統研究這些特性，必須發展多尺度、高精度的實驗方法以獲取更為豐富的摩擦力和接觸信息。