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。