介紹

隨著觸摸屏的普及和基于電粘附的表面觸覺設備的商業(yè)化，捕捉手指-設備界面內的多物理現(xiàn)象及其交互的建模工具對于設計以較低成本實現(xiàn)更高性能和可靠性的設備至關重要。雖然電粘附已成功證明通過摩擦調制改變觸覺感知的能力，但手指-設備界面中的電粘附機制仍不清楚，部分原因是復雜的界面物理，包括接觸變形、毛細管形成、電場及其復雜的耦合尚未全面解決的影響。

摘要

最近，德克薩斯農工大學Yuan Ma博士和M. Cynthia Hipwell教授團隊提出了一個多物理場模型，用于預測納米級手指-表面觸覺相互作用的摩擦力。將納米級多物理現(xiàn)象結合起來研究納米紋理和表面能在觸摸界面中的影響。以宏觀摩擦力測量作為驗證，該模型進一步用于提出具有最大電粘附效應和最小相對濕度和用戶排汗率敏感度的紋理。該模型可以指導未來基于電粘附的表面觸覺設備和其他基于觸摸的人機界面的性能改進。相關論文以題為Nanotexture Shape and Surface Energy Impact on Electroadhesive Human–Machine Interface Performance發(fā)表在《Advanced Materials》上。

主圖

圖1 納米結構形狀和表面能對電粘附性能影響的示意圖。a) 兩種紋理玻璃（樣品 A 和樣品 B）上的觸覺和摩擦示意圖，有和沒有疏水涂層，由皮膚和不同高度和不同表面能的納米粗糙之間的毛細管力引起。b) 具有兩種不同表面紋理（樣品 A 和樣品 B）的基于電粘附的表面觸覺的有效性示意圖，這是由電場、毛細管橋和不同高度的凹凸的相互作用產生的。在 (a) 和 (b) 中，較低的粗糙度（下排）和較高的粗糙度分別是樣品 A 和樣品 B 上單個粗糙度的概念草圖，其地形圖顯示在右側。

圖2 地形和凹凸形狀分析。a,b) (a) 中未涂層樣品 A 和 (b) 中樣品 B 的形貌，用原子力顯微鏡 (Bruker Dimension Icon AFM) 掃描。c) 在（a）和（b）中用點、虛線和實線標記了三個隨機選擇的凹凸不平的橫截面，表明它們在坡度和頂部半徑方面的相似性以及高度的差異。d) 用于建模的簡化軸對稱單粗糙幾何。

圖3 基于彎液面輪廓的毛細管力建模。

圖4 電場與毛細管相互作用，產生總電粘附效應。

圖5 實驗和模擬摩擦力 (F) 與紋理摩擦力差異 (FA–FB) 和電粘附效應 (Fon–Foff)之間的比較。

圖6 用不同的粗糙形狀和表面能建模的電粘附性能。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adma.202008337