Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Steve Eckels / A new three dimensional transient human finger model was developed to predict the risk of frostbite in humans at different environmental conditions. The shape of the finger model was similar to that of a real human finger. Finite Element Techniques were used to build the finger model. Smith’s Model (1991) energy balance equations were used to calculate the temperatures in the current finger model. The current 3D finger model was validated against the experimental data of Wilson (1976) and Santee (1990). The model agreed well with the Wilson experiments and with the cold test in Santee experiments. The comparison indicates that the current finger model can be used to adequately predict the human finger responses in different environments. The current finger model was then tested in temperatures of 0, -10, -20, -25 and -30 oC and with different airspeeds 0, 3 and 6.8 m/s to assess the risk of frostbite in humans. Three resistances 0, 0.4 and 0.8 clo were used on the finger model to obtain responses in different environmental conditions. From the experimental results, an expression for safe glove resistance required to prevent frostbite in known temperatures was calculated. Also, the temperatures up to which a glove with known thermal resistance value can protect a human finger from frostbite was also computed.

Une régression des principales modalités sensorielles (vision, audition, goût et odorat) est bien rapportée à l'âge. La perception tactile est influencée par différents paramètres. Un grand nombre de ces paramètres ont été bien étudiés dans la littérature tels que le système nerveux central, la densité des mécanorécepteurs dans la peau et les seuils de détection vibro-tactile. Ces paramètres ont été étudiés pour comprendre l'affaiblissement de la perception tactile au fil du temps et les différences naturelles entre les hommes et les femmes. Le doigt humain est toujours utilisé pour qualifier la qualité et les propriétés d'une surface. Par conséquent, un panel de différent âge et sexe est toujours utilisé par différents secteurs industriels afin de comprendre les besoins des consommateurs. Cependant, cette méthode est très coûteuse, longue et subjective. L’objectif de ce travail était de développer une méthodologie qui permette d'avoir une objectivation tactile semblable au panel, cela signifie qu'on doit prendre en compte les effets de l'âge et du sexe. Cette thèse a fourni des mesures in vivo pour 40 doigts humains. Nos développements proposent un doigt artificiel capable de mimer le doigt humain, en tenant l’effet de l'âge et du sexe. Pour atteindre notre objectif, nous avons développé plusieurs approches qui combinent à la fois, la topographie multi-échelle du doigt humain, ces propriétés mécaniques anisotropes, les propriétés tribologiques et l’effet de l’aire réelle de contact et la direction du toucher sur la force de frottement et les vibrations générées. Le développement d’un algorithme de traitement du signal, a permis d’identifier des coefficients représentatifs de la qualité de la surface touchée. L’ingénierie de l'émotion a été un autre axe de recherche dans de ces travaux. L’instrumentation du doigt humain avec un dispositif laser-doppler, a permis d’évaluer la qualité tactile des échantillons en fonction de l'émotion générée pendant le processus du toucher. Cette émotion est étudiée par la variation fréquentielle du débit sanguin. Le mise au point d’un doigt artificiel bio-inspiré qui possède des propriétés biophysiques proches du doigt humain, a permis de réaliser un démonstrateur de toucher qui peut intégrer l’âge et le sexe d’un panel. Ce dispositif répond au cahier des charges défini dans le projet ANR «plasticTouchDevice», et permet aux industriels de la plasturgie de mener des expertises de leurs innovations en ayant recours à un dispositif qui permet d’intégrer l’effet de l’âge et du sexe dans la métrologie de la qualité du toucher des matériaux plastiques. / A decline in the main sensory modalities (vision, hearing, taste, and smell) is well reported to occur with advancing age, it is expected a similar change to occur with touch sensation and perception. The tactile perception is influenced by different parameters. Many of those parameters have been well studied in the literature such as central nervous system, the density of mechanoreceptors in the skin and the vibro-tactile detection thresholds. These parameters have been studied in order to understand the weakens of tactile perception over time and the natural differences between men and women. The human finger is always used to qualify the quality and the properties of a surface. Therefore, a panel of different age and gender always used by companies in order to understand the customers’ needs. However, this method is very expensive, time-consuming and subjective. The objective of this work is to give a solution that avoid the limits of the actual method, but in the same time it should keep their advantages (age and gender). This thesis provided in vivo measurements for 40 human fingers. Our developments propose an artificial finger capable of mimicking the human finger, taking into account the effects of age and gender. To achieve our goal, we have developed several approaches that combine the multi-scale topography of the human finger, the anisotropic mechanical properties, the tribological properties, the effect of the real contact area, the direction of touch on the friction force and the vibrations generated by the human finger. The development of a new signal processing algorithm has made it possible to identify coefficients representative of the quality of the affected surface. The engineering of emotion has been another area of research in this work. Instrumentation of the human finger with a laser Doppler device, allowed to evaluate the tactile quality of the samples according to the emotion generated during the process of the touch. This emotion is studied by the frequency variation of the blood flow. The development of a bio-inspired artificial finger that has biophysical properties close to the human finger, has made it possible to realize a haptic touch demonstrator that can integrate the age and gender of a panel. This device meets the specifications defined in the ANR project "PlasticTouchDevice", and allows plastics industry to conduct expertise of their innovations by using a device that allows the integration of the effects of age and of gender in the metrology of the quality of the touch of plastic materials.