介紹

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

摘要

最近，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Yuan Ma博士和M. Cynthia Hipwell教授團(tuán)隊提出了一個多物理場模型，用于預(yù)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(jié)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(jìn)一步用于提出具有最大電粘附效應(yīng)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(dǎo)未來基于電粘附的表面觸覺設(shè)備和其他基于觸摸的人機界面的性能改進(jìn)。相關(guān)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(jié)構(gòu)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(xì)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(xì)管橋和不同高度的凹凸的相互作用產(chǎn)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(cè)。

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(biāo)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(xì)管力建模。

圖4 電場與毛細(xì)管相互作用，產(chǎn)生總電粘附效應(yīng)。

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(yīng) (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(xiàn)：

doi.org/10.1002/adma.202008337