Материал на основе силикона, имитирующий кожу человека (варианты) Российский патент 2024 года по МПК A61L27/60 G09B23/28 C09D143/04 

Изобретение относится к области получения слоистых полимерных материалов из силикона и может быть использовано в робототехнике, медицине и других областях, где требуется визуальная имитация кожи человека. В частности изобретение может быть использовано для изготовления внешних оболочек или покрытий, имитирующих кожу человека с высокой точностью, при производстве роботов, кукол, протезов и других изделий.

Известна кожа для лица робота по патенту КНР на изобретение CN104985730, B29B 7/00, B29C 41/02, 2015. Кожа представляет собой материал из двухкомпонентного силикона на платиновой основе, полученный путем смешивания компонента А, содержащего силикон и компонента Б, содержащего платиновый катализатор, до однородной смеси. В течение 35 минут силиконовую массу наносят на внутреннюю поверхность формы требуемой конфигурации слоем толщиной 1,2-1,5 мм и отверждают при комнатной температуре в течение 4 часов. Материал вынимают из формы и закрепляют на каркасе робота.

Недостатком известного материала является низкая схожесть с кожей человека и невозможность изготовления искусственной кожи, имитирующей кожу разных оттенков.

Известна кожа биоробота и способ ее изготовления по патенту КНР на изобретение CN106626639, В32В 27/06, 2017. Кожа включает последовательно нанесенные слои силикона, пористого и волокнистого материала, а также красителя на твердую основу. Способ получения кожи биоробота заключается в нанесении на твердую основу пористого слоя, которому придается нужная скульптурная форма. На пористый слой наносят внутренний слой модифицированного силикона, смешанного с белой сажей, в который при нанесении добавляют отвердитель. Затем на неотвержденный слой силикона укладывают ткань из эластичных волокон. На слой ткани наносят наружный слой из модифицированного силикона с загущающей добавкой. На наружный слой наносят красящий слой, выполненный из полидиметилсилоксана, цветной пасты и разбавителя.

Недостатком известного материала является низкая точность имитации кожи человека и сложность изготовления материала.

Известна кожа робота по патенту КНР CN109280447, C09D 127/06, 2019, содержащая окрашенный силиконовый слой из двухкомпонентного силикона на основе платины и защитный слой. Окрашенный силиконовый слой получен путем смешивания компонентов А и Б в соотношении 1:1 и добавления к смеси заданного количества акриловой краски, последующего отверждения при комнатной температуре. Известная кожа робота принята в качестве ближайшего аналога для обоих вариантов заявляемого материала.

Недостатком известного способа является недостаточная точность имитации кожи человека, так как включает только один окрашенный слой, что не передает в достаточной степени структуру кожи человека.

Техническим результатом заявляемой группы изобретений является расширение арсенала технических средств для материалов, имитирующих кожу человека с высокой точностью и с возможностью отражения индивидуальных особенности кожи людей разных типов.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в материале, имитирующем кожу человека, включающем последовательно соединенные окрашенные слои из силикона на платиновой основе, согласно изобретению, слои выполнены из двухкомпонентного силикона с компонентами в соотношении 1:1 с красителями, добавленными в один компонент, при этом первый слой с равномерной толщиной не более 1 мм выполнен для имитации рогового слоя кожи, второй слой с равномерной толщиной до 1 мм выполнен полупрозрачным для имитации подкожного жирового слоя, равномерный по толщине третий слой выполнен полупрозрачным для имитации венозной сосудистой структуры и нанесен на отдельные участки поверхности второго слоя, а полупрозрачный четвертый слой толщиной менее 1 мм выполнен для имитации капиллярной сосудистой сетки человека, при этом неравномерный по толщине, непрозрачный пятый слой телесного цвета выполнен в виде подложки для предыдущих слоев и имеет наибольшую из всех слоев толщину не менее 1 мм.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в материале, имитирующем кожу человека, включающем последовательно соединенные окрашенные слои из силикона на платиновой основе, согласно изобретению, слои выполнены из двухкомпонентного силикона с компонентами в соотношении 1:1 с красителями, добавленными в один компонент, при этом первый слой с равномерной толщиной не более 1 мм выполнен для имитации рогового слоя кожи, второй слой с равномерной толщиной до 1 мм выполнен полупрозрачным для имитации подкожного жирового слоя, равномерный по толщине третий слой выполнен полупрозрачным для имитации венозной сосудистой структуры и нанесен на отдельные участки поверхности второго слоя, полупрозрачный четвертый слой толщиной менее 1 мм выполнен для имитации капиллярной сосудистой сетки человека, а неравномерный по толщине, непрозрачный пятый слой телесного цвета выполнен в виде подложки для предыдущих слоев и имеет наибольшую из всех слоев толщину не менее 1 мм, причем между вторым слоем и третьим слоем, размещен, по меньшей мере, один дополнительный слой, выполненный для имитации индивидуальных особенностей кожи человека.

Технический результат обеспечивается тем, что материал, имитирующий кожу человека, выполнен из базового набора окрашенных слоев, каждый слой которого имитирует цвет и структуру кожных и подкожных тканей человеческого тела, в совокупности создающих с высокой точностью имитацию кожи человека, например, при изготовлении оболочки человекоподобного робота. Имитация человеческой кожи с высокой точностью осуществляется за счет того, что слои силикона на платиновой основе полупрозрачные: один окрашенный слой просвечивает через другой на фоне непрозрачного слоя телесного цвета, который является подложкой. В итоге при совокупности наложения видимых снаружи слоев создается натуралистичный эффект кожи человека. Базовый набор является таковым за счет того, что может быть использован как самостоятельно для имитации светлой кожи людей европейского типа, так и в качестве базы для воспроизведения кожи других оттенков и кожи с индивидуальными особенностями. Так, согласно второму варианту изобретения, при наличии базового набора слоев путем добавления в него дополнительного оттеночного слоя с различными пигментами, легко корректируется цвет материала в соответствии с цветом кожи человека любого типа, возраста и т.п. Расположение дополнительного оттеночного слоя между вторым и третьим слоями базового набора позволяет изменить оттенок кожи, или изобразить особенности кожи, например в виде пигментных пятен, не снижая точности имитации структурных особенностей кожных и подкожных тканей человека.

Материал на основе силикона, имитирующий кожу человека, выполняют следующим образом.

Материал изготавливают путем нанесения окрашенных слоев силикона на подготовленную заранее форму из пластического материала, не оказывающего разрушающего воздействия на силикон. Например, материал формы не должен содержать в своем составе серу. Слои силикона наносят на форму в определенном порядке.

Для изготовления каждого слоя материала используют известный состав двухкомпонентного силикона на платиновой основе, например ECOFLEX 000-35 GEL, ECOFLEX 00-10, ECOFLEX 00-30, PSYCHO PAINT DRAGON SKIN FX PRO и др., содержащий компоненты А и Б в соотношении 1:1. Для окрашивания слоев материала используют любые известные красители. Предпочтительно используют, например, красители Silc Pig, Silicaps System. При этом колеруют компонент А двухкомпонентного силикона. Для распределения цветов окрашивания по фоторазвертке модели с помощью компьютерной программы составляют так называемую карту покраса.

В составе слоев могут быть использованы добавки для замедления отверждения платинового силикона, например, Slo-Jo, и для загущения силикона, например, Thi-Vex. Добавка, замедляющая отвержение, позволяет избегать пузырей в отлитом изделии, регулирует скорость полимеризации силикона. Загуститель делает силикон более вязким и не позволяет ему стекать с одного окрашенного участка на другой, например, при окраске губ для сохранения их контура.

Перед нанесением слоев поверхность формы очищают и обрабатывают разделителем, например марок Еasy realease или ВС-М. После обработки формы последовательно наносят окрашенные слои силикона. Равномерные по толщине и плотности слои или слои на участках большой площади, наносят преимущественно поролоновой губкой путем тампования. Неравномерные по толщине и плотности слои или слои в виде отдельных окрашенных участков наносят преимущественно кистью. Так кистью могут быть нанесены вены, отдельные детали или особенности кожи, например, в виде пигментных пятен. Каждому слою дают высохнуть до полного высыхания, не менее 45 минут. Работу осуществляют предпочтительно при влажности воздуха не более 50 % и температуре не менее 23.

Первым на форму наносят силиконовый слой, имитирующий роговой слой кожи человека. «Роговой» слой получают, окрашивая компонент А двухкомпонентного силикона одним красителем или составом красителей, в совокупности придающим силиконовому слою серый цвет с оттенком в соответствии с картой покраса. «Роговой» слой наносят равномерно тамповочной губкой равномерным тонким полупрозрачным слоем. Вторым слоем является силиконовый слой, имитирующий жировую подкожную ткань человека. Слой окрашивают в желтый цвет, близкий к естественной жировой ткани человека, соответствующий карте покраса, одним красителем или путем смешения красителей нескольких цветов, дающих в совокупности требуемый оттенок. Силиконовую массу наносят равномерно тамповочной губкой тонким полупрозрачным слоем. Третьим наносят окрашенный слой силикона, имитирующий венозную структуру человека. Получаемый цвет окрашенной силиконовой массы для «венозного» слоя - синий. Окрашенную силиконовую массу наносят на отдельные участки предыдущего слоя кистью. Четвертым слоем базового набора является слой, имитирующий капиллярную сетку человека. «Капиллярный» слой получают, окрашивая компонент А одним красителем или составом красителей, дающих в совокупности красный цвет требуемого оттенка в соответствии с картой покраса. Силиконовую массу красного цвета наносят неравномерно для имитации мраморности кожи. На участках большой площади слой наносят тамповочной губкой, отдельные участки, если это необходимо, окрашивают кистью. Пятым слоем является подложка, которая в последствии будет соприкасаться с каркасом робота или другого изделия. Толщина слоя подложки наибольшая по сравнению с толщиной других слоев базового набора. Слой подложки непрозрачный, телесного цвета. Полученный материал из базового набора слоев соответствует светлой коже человека европейского типа.

Базовый набор слоев может быть использован как самостоятельно для имитации светлой кожи человека европейского типа, так и в качестве основы для воспроизведения кожи любого оттенка с различными индивидуальными особенностями, для чего в базовый набор слоев вводится дополнительный оттеночный слой, делая кожу темнее, светлее, или несколько дополнительных, чтобы воспроизвести индивидуальные особенностей кожи конкретного человека.

После высыхания слоя подложки готовый материал вынимают из формы и надевают на каркас робота или другого изделия.

Пример 1 изготовления материала, имитирующего кожу человека, для головы человекоподобного робота с лицом мужчины европейской внешности.

Форма для головы с индивидуальными чертами лица может быть изготовлена любым известным способом, преимущественно методом 3D печати на основе 3D моделирования с применением известных программ для 3D моделирования. Кроме того, для индивидуализации лица выполняют формы для изготовления закладных деталей для век, губ и бровей.

На 3D-принтере или фотополимерном принтере изготавливают все формы из пластика, не оказывающего разрушающего воздействия на силикон. Модель склеивают из изготовленных деталей, например с помощью клея марки С-501.

Поверхность формы очищают очистителем матриц Izhwax cleaner, затем направленной струей сжатого воздуха под давлением не менее 4 атмосфер с помощью, например компрессора Patriot LRM 24-24OC. После чего модель обрабатывают разделителем Аsy realease.

После обработки модели на ее поверхность наносят окрашенные слои силикона. Каждый последующий слой наносят после полного высыхания предыдущего.

Предварительно с помощью компьютерной программы по фоторазвертке модели составляют индивидуальную 3D карту покраса.

Первым на форму наносят слой, имитирующий роговой слой кожи человека. Для этого берут 15 г компонента А и 15 г компонента Б силикона на платиновой основе марки PSYCHO PAINT. Нужный оттенок получают, добавляя к компоненту А красители марки Silc Pig, исходя из соотношения, г:

- компонент А силикона - 100,

- Silc Pig WHITE - 0.05 ,

- Silc Pig BLACK - 0,03,

- Silc Pig YELLOW - 0,02.

Все перемешивают. В итоге получают массу серого цвета с оттенком, соответствующим карте покраса. Силиконовую массу наносят на всю поверхность головы и лица пористой тамповочной губкой равномерным тонким полупрозрачным слоем не более 1 мм. Слой оставляют сохнуть до полного высыхания. Для этого требуется не менее 45 мин.

Затем подготавливают силиконовую массу для нанесения слоя, имитирующего жировой подкожный слой, который имеет желтый цвет. Для этого берут 20 г компонента А и 20 г компонента В силикона на платиновой основе марки ECOFLEX 00-50. Для получения нужного оттенка к компоненту А добавляют краситель Silicap System телесного цвета и красители: белый, желтый, розовый, красный марки Silc pig, исходя из соотношения, г:

- компонент А - 100,

- Silc Pig WHITE - 0,45,

- Silc Pig YELLOW - 0,26,

- Silc Pig FLASH - 0,06,

- Silc Pig RED - 0,01,

- Silicap System “Средний телесный” - 0,21.

В результате получают массу желтого цвета с оттенком, соответствующим карте покраса. Полученную окрашенную массу силикона тамповочной губкой равномерно наносят на всю поверхность головы и лица, кроме губ. Получают тонкий полупрозрачный слой толщиной около 1 мм. Оставляют сохнуть до полного высыхания.

Подготавливают силиконовую массу для нанесения слоя, имитирующего венозную структуру человека. Берут 2 г. А и 2 г. Б силикона на платиновой основе марки ECOFLEX 00-50 К компоненту А добавляют синий краситель марки Silc pig. Количество краски берут исходя из соотношения, г:

- компонент А - 100,

- Silc Pig BLUE - 0,09.

Компоненты перемешивают. Полученную массу силикона синего цвета наносят кистью на голове в зоне роста волос, на лице в области вокруг глаз и губ, в зоне роста щетины. Рисуют небольшие вены.

Подготавливают силиконовую массу для нанесения слоя, имитирующего капиллярную сетку человека. Для этого берут 10 г компонента А и 10 г компонента В силикона на платиновой основе марки ECOFLEX 00-50. К компоненту А добавляют красители Silc pig: белый, желтый, голубой, телесный, красный, исходя из соотношения, г:

- компонент А -100 г

- Silc Pig WHITE - 0,06

- Silc Pig YELLOW - 0,59

- Silc Pig BLUE - 0,04

- Silc Pig FLASH - 0,18

- Silc Pig RED - 0,12

Все перемешивают, получают массу силикона красного цвета с оттенком, соответствующим карте покраса. Подготовленную массу силикона наносят по всей поверхности головы и лица тамповочной губкой. Массу наносят неравномерным тонким слоем толщиной менее 1 мм, имитируя «мраморность» кожи и мелкие капилляры. На губы и на веки «капиллярную» массу силикона наносят кистью.

Для слоя подложки берут 600 г компонента А и 600 г компонента В силикона на платиновой основе марки ECOFLEX 00-30. К компоненту А добавляют краситель телесного цвета марки silicap system, красители марки Silc pig белого, желтого, телесного, красного цвета, исходя из соотношения, г:

- компонент А - 100,

- Silc Pig WHITE - 0,32,

- Silc Pig YELLOW - 0,18,

- Silc Pig FLASH - 0,05,

- Silc Pig RED - 0,007,

- Silicap System “Средний телесный” - 0,15.

К составу может быть добавлено небольшое количество замедлителя отверждения Slo-Jo для снижения пористости.

Все компоненты смешивают получают массу нейтрального телесного цвета. Всю полученную для слоя подложки силиконовую массу равномерно распределяют по всей поверхности головы и лица. Оставляют до полного высыхания. Получают слой, толщина которого составляет не менее 1 мм. Слой такой толщины становится непрозрачным и служит в качестве фона для остальных слоев, а также скрывает каркас изделия.

Состав красителей, добавляемых к компоненту А для окрашивания каждого слоя материала, подбирали опытным путем.

Пример 2 изготовления материала, имитирующего кожу человека, для головы человекоподобного робота с лицом мужчины европейской внешности с загаром.

Материал изготавливают так же, как и в примере 1. Но в отличие от примера 1 между слоями, имитирующими жировую и венозную ткани человека, располагают дополнительный оттеночный слой, придающий коже оттенок загара.

Для этого подготавливают силиконовую массу для дополнительного оттеночного слоя, придающего коже оттенок загара. Для этого берут 20 г компонента А и 20 г компонента Б силикона на платиновой основе. К компоненту А добавляют краситель Silc pig: желтого и коричневого цветов. Красители добавляют исходя из соотношения, г:

- компонент А - 100,

- Silc Pig YELLOW - 1,24,

- Silc Pig BROWN - 0,38.

Все компоненты перемешивают и полученную массу силикона светло-коричневого оттенка, соответствующего карте покраса, равномерно наносят пористой тамповочной губкой на высохший слой, имитирующий жировую подкожную ткань. При этом оттеночный слой наносят на всю поверхность головы и лица. Получают тонкий полупрозрачный слой, толщина которого составляет менее 1 мм.

Далее действуют по примеру 1.

Полученный многослойный материал по примеру 1 или 2 вынимают из формы и закрепляют на подготовленном каркасе головы робота таким образом, что слой-подложка материала соприкасается с каркасом и является внутренним слоем, а роговой слой становится верхним наружным слоем оболочки. При этом наложенные друг на друга слои из полупрозрачного силикона, выполненные на фоне непрозрачной подложки телесного цвета и окрашенные с имитацией соответствующих подкожных и кожных тканей человека, создают максимально реалистичный эффект кожи человека.

Таким образом, заявляемая группа изобретений обеспечивает расширение арсенала технических средств для материалов, имитирующих визуально кожу человека с высокой точностью и возможностью воспроизведения индивидуальных особенностей кожи людей разного типа.

Группа изобретений относится к области получения слоистых полимерных материалов из силикона и может быть использовано в робототехнике, медицине и других областях, где требуется визуальная имитация кожи человека. Материал на основе силикона, имитирующий кожу человека, включает последовательно нанесенные слои из силикона на платиновой основе. Варианты выполнения материала содержат базовый набор окрашенных слоев, расположенных в определенном порядке. В первом варианте выполнения материал, имитирующий кожу человека, включающий последовательно соединенные окрашенные слои из силикона на платиновой основе. Слои выполнены из двухкомпонентного силикона с компонентами в соотношении 1:1 с красителями, добавленными в один компонент. Первый слой с равномерной толщиной не более 1 мм выполнен для имитации рогового слоя кожи. Второй слой с равномерной толщиной до 1 мм выполнен полупрозрачным для имитации подкожного жирового слоя. Равномерный по толщине третий слой выполнен полупрозрачным для имитации венозной сосудистой структуры и нанесен на отдельные участки поверхности второго слоя. Полупрозрачный четвертый слой толщиной менее 1 мм выполнен для имитации капиллярной сосудистой сетки человека. Неравномерный по толщине, непрозрачный пятый слой телесного цвета выполнен в виде подложки для предыдущих слоев и имеет наибольшую из всех слоев толщину не менее 1 мм. Во втором варианте выполнения материала, имитирующего кожу человека, между вторым слоем и третьим слоем, размещен, по меньшей мере, один дополнительный слой, выполненный для имитации индивидуальных особенностей кожи человека. Технический результат группы изобретений - расширение арсенала технических средств для материалов, имитирующих кожу человека. 2 н.п. ф-лы.

1. Материал, имитирующий кожу человека, включающий последовательно соединенные окрашенные слои из силикона на платиновой основе, отличающийся тем, что слои выполнены из двухкомпонентного силикона с компонентами в соотношении 1:1 с красителями, добавленными в один компонент, при этом первый слой с равномерной толщиной не более 1 мм выполнен для имитации рогового слоя кожи, второй слой с равномерной толщиной до 1 мм выполнен полупрозрачным для имитации подкожного жирового слоя, равномерный по толщине третий слой выполнен полупрозрачным для имитации венозной сосудистой структуры и нанесен на отдельные участки поверхности второго слоя, а полупрозрачный четвертый слой толщиной менее 1 мм выполнен для имитации капиллярной сосудистой сетки человека, при этом неравномерный по толщине, непрозрачный пятый слой телесного цвета выполнен в виде подложки для предыдущих слоев и имеет наибольшую из всех слоев толщину не менее 1 мм.

2. Материал, имитирующий кожу человека, включающий последовательно соединенные окрашенные слои из силикона на платиновой основе, отличающийся тем, что слои выполнены из двухкомпонентного силикона с компонентами в соотношении 1:1 с красителями, добавленными в один компонент, при этом первый слой с равномерной толщиной не более 1 мм выполнен для имитации рогового слоя кожи, второй слой с равномерной толщиной до 1 мм выполнен полупрозрачным для имитации подкожного жирового слоя, равномерный по толщине третий слой выполнен полупрозрачным для имитации венозной сосудистой структуры и нанесен на отдельные участки поверхности второго слоя, полупрозрачный четвертый слой толщиной менее 1 мм выполнен для имитации капиллярной сосудистой сетки человека, а неравномерный по толщине, непрозрачный пятый слой телесного цвета выполнен в виде подложки для предыдущих слоев и имеет наибольшую из всех слоев толщину не менее 1 мм, причем между вторым слоем и третьим слоем, размещен, по меньшей мере, один дополнительный слой, выполненный для имитации индивидуальных особенностей кожи человека.