科研人員提出一種應用于靜電吸附的自清除機制

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近日，南方科技大學機械與能源工程系、機器人研究院副教授王宏強提出一種應用于靜電吸附的自清除機制。相關研究成果發表于機器人領域頂級期刊《軟體機器人》。

靜電吸附作為一種極具發展前景的吸附技術，已經被廣泛的應用于軟體機器人、飛行器、可穿戴設備，以及航空航天領域。靜電吸附片通常是由一層電極層和一層介電層組成。靜電吸附裝置是通過施加高電壓使吸附片和導電片產生異種電荷從而實現強力吸附作用。然而，由于介電層內部缺陷導致的靜電擊穿引發裝置短路在靜電吸附中是幾乎不可避免的，一旦擊穿，整個裝置將失效。

研究示意圖 南科大供圖

為解決靜電吸附失效問題，王宏強課題組提出了一種新的自清除機制，通過利用足夠薄的導電層（例如，不超過7微米的銅層），可以在靜電擊穿后自動清除斷點周圍的導體完成自清除，從而恢復裝置功能。該方法易于操作且兼容各種材料和制造過程。測試表明，該機制可將最大可用電壓提高260%，最大靜電吸附力提高276%。此外，該方法還可成功修復靜電擊穿的物理損傷，并使其穩定可靠地工作，為靜電吸附在高性能和廣泛應用方面提供了新的途徑。

圖說：自清除機制使靜電吸附設備克服打孔、剪裁操作 科研團隊供圖

該研究團隊通過實驗發現自清除過程可以提高靜電吸附裝置的耐受電壓，進而使其輸出力提高276%。而靜電擊穿所產生的焦耳熱，是自清除過程中蒸發電極以及清除介電層殘余的能量來源。因此，只有當電極層足夠薄時（例如，當銅電極厚度小于7微米），自清除過程才可以成功。基于不同厚度的導電層，研究者提出了四種不同的自清除機制。當自清除成功時，靜電吸附裝置的工作電壓會出現短暫的降低，之后迅速恢復（150毫秒）至正常操作電壓。通過多次自清除過程，吸附片的擊穿電壓最大可以提升至原先的2.6倍。當電極厚度不小于5微米時，自清除后的清除位點并不會影響靜電吸附力的大小。并且，在連續擊穿測試中，靜電吸附設備在65分鐘內，耐受了173次電擊穿。

而且，為了展現自清除機制在實際應用中的穩定性和可靠性，研究人員在對靜電吸附裝置施加打孔、穿刺，剪裁等物理破壞后，靜電吸附裝置的自清除過程仍迅速完成，且沒有對吸附裝置的正常操作造成影響。研究人員還發現靜電離合器在吸附200克重物時發生多次自清除現象，而自清除過程幾乎沒有影響吸附力的大小。此外，研究人員還展示了自清除機制在靜電抓手中的應用，在抓取物體時提高操作電壓，自清除過程使抓手克服靜電擊穿，成功完成抓取-放置操作。

通過這些展示，研究人員驗證了自清除機制在在靜電吸附領域的可靠性和廣泛應用，該技術為其它靜電領域，如介電彈性驅動和壓電驅動，提出新的設計思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1089/soro.2022.0132