【產(chǎn)通社，5月9日訊】南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網(wǎng)消息，其機(jī)械與能源工程系、機(jī)器人研究院副教授王宏強(qiáng)近日提出一種應(yīng)用于靜電吸附的自清除機(jī)制。相關(guān)研究以“Strong Reliable Electrostatic Actuation Based on Self-Clearing Using a Thin Conductive Layer”為題發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊Soft  Robotics。

靜電吸附作為一種極具發(fā)展前景的吸附技術(shù)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于軟體機(jī)器人、飛行器、可穿戴設(shè)備，以及航空航天領(lǐng)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(guò)施加高電壓使吸附片和導(dǎo)電片產(chǎn)生異種電荷從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力吸附作用。然而，由于介電層內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的靜電擊穿引發(fā)裝置短路在靜電吸附中是幾乎不可避免。一旦擊穿，整個(gè)裝置將失效。

為解決靜電吸附失效問(wèn)題，王宏強(qiáng)課題組提出了一種新的自清除機(jī)制，通過(guò)利用足夠薄的導(dǎo)電層（如銅層不超過(guò)7微米），可以在靜電擊穿后自動(dòng)清除斷點(diǎn)周圍的導(dǎo)體完成自清除，從而恢復(fù)裝置功能。該方法易于操作且兼容各種材料和制造過(guò)程。測(cè)試表明，該機(jī)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(fù)靜電擊穿的物理?yè)p傷，并使其穩(wěn)定可靠地工作，為靜電吸附在高性能和廣泛應(yīng)用方面提供了新的途徑。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自清除過(guò)程可以提高靜電吸附裝置的耐受電壓，進(jìn)而使其輸出力提高276%。而靜電擊穿所產(chǎn)生的焦耳熱，是自清除過(guò)程中蒸發(fā)電極以及清除介電層殘余的能量來(lái)源。因此，只有當(dāng)電極層足夠薄時(shí)（例如，當(dāng)銅電極厚度＜7微米），自清除過(guò)程才可以成功。基于不同厚度的導(dǎo)電層，研究者提出了四種不同的自清除機(jī)制(圖1b)。當(dāng)自清除成功時(shí)，靜電吸附裝置的工作電壓會(huì)出現(xiàn)短暫的降低，之后迅速恢復(fù)（150毫秒）至正常操作電壓。通過(guò)多次自清除過(guò)程，吸附片的擊穿電壓最大可以提升至原先的2.6倍。當(dāng)電極厚度不小于5微米時(shí)，自清除后的清除位點(diǎn)并不會(huì)影響靜電吸附力的大小。并且，在連續(xù)擊穿測(cè)試中，靜電吸附設(shè)備在65分鐘，耐受了173次電擊穿。

而且，為了展現(xiàn)自清除機(jī)制在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性，研究人員對(duì)靜電吸附裝置施加物理破壞（包括打孔、穿刺，剪裁），自清除過(guò)程迅速完成，而且?guī)缀鯖](méi)有對(duì)吸附裝置的正常操作造成影響。研究人員還展示了靜電離合器在吸附200g重物時(shí)發(fā)生多次自清除現(xiàn)象，而自清除過(guò)程幾乎沒(méi)有影響吸附力的大小。此外，研究人員還展示了自清除機(jī)制在靜電抓手中的應(yīng)用。在抓取物體時(shí)提高操作電壓（從1500V升至2000V），自清除過(guò)程使抓手克服靜電擊穿，成功完成抓取-放置操作。通過(guò)這些展示，研究人員驗(yàn)證了自清除機(jī)制在在靜電吸附領(lǐng)域的可靠性和廣泛應(yīng)用。并且該技術(shù)為其它靜電領(lǐng)域，如介電彈性驅(qū)動(dòng)和壓電驅(qū)動(dòng)，提出新的設(shè)計(jì)思路。

南科大機(jī)械與能源工程系/機(jī)器人研究院訪問(wèn)學(xué)生解國(guó)勇、2019級(jí)博士生范東亮為論文共同第一作者。王宏強(qiáng)為論文通訊作者。南科大為論文第一單位。該項(xiàng)目由科技部重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等資助。

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