KAIST研发低电压静电触觉手套，4mm厚度实现18.9N/cm²摩擦力
触觉手套
（映维网Nweon 2025年04月17日）随着人们对虚拟现实和增强现实越来越感兴趣，对动觉触觉反馈设备的需求正在迅速增加。基于马达的触觉界面既笨重又笨重，给用户带来了不适。为了解决这个问题，业界正在研究基于静电离合器的触觉手套，以提供快速的响应时间和轻薄外形。
然而，高工作电压和可变力控制依然是需要克服的挑战。韩国科学技术院团队表示，利用具有电荷积累特性的功能聚合物和介电液体的静电离合器在100 V以下的低电压下可以产生0.35 N/cm2至18.9 N/cm2的摩擦剪切应力。基于这一点，相关触觉手套可以产生较高的阻隔力，并且佩戴舒适。
触觉反馈分为触觉感觉和动觉感觉，动觉感觉是提供关于物体形状和刚度的信息。传统的动觉触觉手套使用马达来代表物体的形状和刚性。尽管这种方法提供了简单的控制和快速的响应时间，但它存在缺点，如力密度低，用户不舒服。
为了解决相关问题，业界正在进行使用柔性致动器的动觉触觉手套的研究。气动执行器由于其强大的输出而得到广泛使用。然而，要呈现足够的动觉感觉，需要数百千帕的压力。所以，需要体积大、重量大的气动泵，而这大大降低了触觉手套的可穿戴性。
静电离合器则利用两个电极之间的静电力，由于其薄的外形和强大的输出而在可穿戴触觉应用中越来越受到关注。然而，传统的基于静电离合器的触觉手套需要数百到数千伏的高输入电压，导致控制电路体积庞大，并且可能对周围的可穿戴设备产生干扰。
另外，由于离合器条不是完全平坦，电极和电介质只能部分地相互接触。所以，静电离合器需要一个高的拉入电压。为了创造一个完美的静电离合器触觉手套，必须解决数个关键问题：
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它必须产生强大的摩擦力，同时又要足够薄。
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提供大范围的摩擦力，响应时间在几十毫秒以内。
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手套应易于穿戴和脱下。
韩国科学技术院团队提出了一种在100v以下工作电压下产生可变摩擦的静电离合器，并利用它设计了一种动觉触觉手套。静电离合器采用具有电荷积累特性的功能聚合物，即便在低电压下都能产生较高的静电力。
另外，通过使用介电液体降低拉入电压，可以在低于100 V的电压下实现0.35 N至18.9 N的广泛摩擦力。它的最大厚度为4毫米，足够薄，可以装进衣服里，方便穿脱。
研究人员设计了一种普通静电离合器，其结构简单，在两个柔性电极之间放置一个电介质，以提供由静电力引起的摩擦力。团队采用高介电常数聚氯乙烯凝胶（PVC凝胶）设计离合器，并实现了高摩擦力。
图1（a）显示了聚氯乙烯凝胶的介电常数，在2×10 5处测得，频率0.001 Hz。聚氯乙烯凝胶的高介电常数是由于注入阴极的负电荷积聚在阳极近，表现出与传统介电材料不同的行为，偶极子在电场内旋转。图1（b）说明了聚氯乙烯凝胶静电离合器的工作原理。
在结构简单的离合器的情况下，电介质放置在两个电极之间，它并不是完全平坦，导致高的拉入电压。为了解决这个问题，必须在薄膜施加高的垂直压力。但当达到完全接触时，即便没有施加电压，PVC凝胶的粘性都会引起高摩擦。
为了消除聚氯乙烯凝胶表面的粘性，增加聚氯乙烯凝胶表面的静电力，在聚氯乙烯凝胶表面涂上一层介电液体。图2显示了有和没有介质液体存在时的电压-摩擦剪应力图。在介质液体的作用下，最小工作电压从40 V降低到20 V，摩擦力范围从0.35 N扩大到18.9 N。利用这种离合器，研究人员设计了一种动感触觉手套，可以在低电压水平下控制大范围的阻挡力。
静电离合器模块和触觉手套如图3所示。静电离合器采用铝涂层PET和FPCB作为电极，50µm厚的PVC凝胶作为介电介质。为了进行初始接触，团队增加了一个盖子，并附加了一个弹簧来施加恢复力。离合器模块非常薄，厚度为4毫米，便于佩戴。
离合器模块可以根据施加的电压提供各种阻塞力。铝涂层PET作为阳极和肌腱，有效地将力传递给手指。另外，团队安装了一个导轨，以确保精确对准。静电离合器使用魔术贴固定在腕带，可以快速调整离合器模块的位置。这种设计使手套能够适应不同手的大小。
基于静电力的致动器在高驱动电压下工作，所以需要在设计方面考虑提高安全性，因而将致动器的工作电压降低到100V，以减少潜在的风险，并将抓握区域用盖子封闭，以防止与电极接触。
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总的来说，聚氯乙烯凝胶静电离合器利用功能聚合物的电荷积累特性，在低电压下提供大范围的摩擦力。以其作为基础，团队提出了一种动觉式触觉手套。离合器在100 V的低电压下产生18.9 N/cm²的高摩擦剪切应力，通过调节电压可将摩擦剪切应力控制在0.35 N/cm2 ~ 18.9 N/cm2范围内。
另外，团队设计了一款采用静电离合器模块的动觉触觉手套，厚度为4毫米，在保证舒适穿戴的同时具有非常强的抵抗力。离合器模块在电压低于100 V时提供可变摩擦力，电路紧凑，对周围可穿戴设备的影响最小，使其在可穿戴应用中具有很高的优势和高度通用性。
但由于离合器的高静电力，他们发现PET上的铝涂层脱落，导致性能随着操作次数的增加而下降。所以在未来，团队致力于提高电极的沉积方法，以提高离合器的耐用性。
