觸覺手套
（中國AI網 2025年04月17日）隨著人們對虛擬現實和增強現實越來越感興趣，對動覺觸覺反饋設備的需求正在迅速增加。基于馬達的觸覺界面既笨重又笨重，給用戶帶來了不適。為了解決這個問題，業界正在研究基于靜電離合器的觸覺手套，以提供快速的響應時間和輕薄外形。
然而，高工作電壓和可變力控制依然是需要克服的挑戰。韓國科學技術院團隊表示，利用具有電荷積累特性的功能聚合物和介電液體的靜電離合器在100 V以下的低電壓下可以產生0.35 N/cm2至18.9 N/cm2的摩擦剪切應力。基于這一點，相關觸覺手套可以產生較高的阻隔力，并且佩戴舒適。
觸覺反饋分為觸覺感覺和動覺感覺，動覺感覺是提供關于物體形狀和剛度的信息。傳統的動覺觸覺手套使用馬達來代表物體的形狀和剛性。盡管這種方法提供了簡單的控制和快速的響應時間，但它存在缺點，如力密度低，用戶不舒服。
為了解決相關問題，業界正在進行使用柔性致動器的動覺觸覺手套的研究。氣動執行器由于其強大的輸出而得到廣泛使用。然而，要呈現足夠的動覺感覺，需要數百千帕的壓力。所以，需要體積大、重量大的氣動泵，而這大大降低了觸覺手套的可穿戴性。
靜電離合器則利用兩個電極之間的靜電力，由于其薄的外形和強大的輸出而在可穿戴觸覺應用中越來越受到關注。然而，傳統的基于靜電離合器的觸覺手套需要數百到數千伏的高輸入電壓，導致控制電路體積龐大，并且可能對周圍的可穿戴設備產生干擾。
另外，由于離合器條不是完全平坦，電極和電介質只能部分地相互接觸。所以，靜電離合器需要一個高的拉入電壓。為了創造一個完美的靜電離合器觸覺手套，必須解決數個關鍵問題：
它必須產生強大的摩擦力，同時又要足夠薄。
提供大范圍的摩擦力，響應時間在幾十毫秒以內。
手套應易于穿戴和脫下。
韓國科學技術院團隊提出了一種在100v以下工作電壓下產生可變摩擦的靜電離合器，并利用它設計了一種動覺觸覺手套。靜電離合器采用具有電荷積累特性的功能聚合物，即便在低電壓下都能產生較高的靜電力。
另外，通過使用介電液體降低拉入電壓，可以在低于100 V的電壓下實現0.35 N至18.9 N的廣泛摩擦力。它的最大厚度為4毫米，足夠薄，可以裝進衣服里，方便穿脫。
研究人員設計了一種普通靜電離合器，其結構簡單，在兩個柔性電極之間放置一個電介質，以提供由靜電力引起的摩擦力。團隊采用高介電常數聚氯乙烯凝膠（PVC凝膠）設計離合器，并實現了高摩擦力。
圖1（a）顯示了聚氯乙烯凝膠的介電常數，在2×10 5處測得，頻率0.001 Hz。聚氯乙烯凝膠的高介電常數是由于注入陰極的負電荷積聚在陽極近，表現出與傳統介電材料不同的行為，偶極子在電場內旋轉。圖1（b）說明了聚氯乙烯凝膠靜電離合器的工作原理。
在結構簡單的離合器的情況下，電介質放置在兩個電極之間，它并不是完全平坦，導致高的拉入電壓。為了解決這個問題，必須在薄膜施加高的垂直壓力。但當達到完全接觸時，即便沒有施加電壓，PVC凝膠的粘性都會引起高摩擦。
為了消除聚氯乙烯凝膠表面的粘性，增加聚氯乙烯凝膠表面的靜電力，在聚氯乙烯凝膠表面涂上一層介電液體。圖2顯示了有和沒有介質液體存在時的電壓-摩擦剪應力圖。在介質液體的作用下，最小工作電壓從40 V降低到20 V，摩擦力范圍從0.35 N擴大到18.9 N。利用這種離合器，研究人員設計了一種動感觸覺手套，可以在低電壓水平下控制大范圍的阻擋力。
靜電離合器模塊和觸覺手套如圖3所示。靜電離合器采用鋁涂層PET和FPCB作為電極，50μm厚的PVC凝膠作為介電介質。為了進行初始接觸，團隊增加了一個蓋子，并附加了一個彈簧來施加恢復力。離合器模塊非常薄，厚度為4毫米，便于佩戴。
離合器模塊可以根據施加的電壓提供各種阻塞力。鋁涂層PET作為陽極和肌腱，有效地將力傳遞給手指。另外，團隊安裝了一個導軌，以確保精確對準。靜電離合器使用魔術貼固定在腕帶，可以快速調整離合器模塊的位置。這種設計使手套能夠適應不同手的大小。
基于靜電力的致動器在高驅動電壓下工作，所以需要在設計方面考慮提高安全性，因而將致動器的工作電壓降低到100V，以減少潛在的風險，并將抓握區域用蓋子封閉，以防止與電極接觸。
相關論文：Friction tunable electrostatic clutch with low driving voltage for kinesthetic haptic feedback
總的來說，聚氯乙烯凝膠靜電離合器利用功能聚合物的電荷積累特性，在低電壓下提供大范圍的摩擦力。以其作為基礎，團隊提出了一種動覺式觸覺手套。離合器在100 V的低電壓下產生18.9 N/cm2的高摩擦剪切應力，通過調節電壓可將摩擦剪切應力控制在0.35 N/cm2 ~ 18.9 N/cm2范圍內。
另外，團隊設計了一款采用靜電離合器模塊的動覺觸覺手套，厚度為4毫米，在保證舒適穿戴的同時具有非常強的抵抗力。離合器模塊在電壓低于100 V時提供可變摩擦力，電路緊湊，對周圍可穿戴設備的影響最小，使其在可穿戴應用中具有很高的優勢和高度通用性。
但由于離合器的高靜電力，他們發現PET上的鋁涂層脫落，導致性能隨著操作次數的增加而下降。所以在未來，團隊致力于提高電極的沉積方法，以提高離合器的耐用性。
