《AM》纳米纹理形状和表面能对电粘附-人机界面性能的影响

介绍

随着触摸屏的普及和基于电粘附的表面触觉设备的商业化，捕捉手指-设备界面内的多物理现象及其交互的建模工具对于设计以较低成本实现更高性能和可靠性的设备至关重要。虽然电粘附已成功证明通过摩擦调制改变触觉感知的能力，但手指-设备界面中的电粘附机制仍不清楚，部分原因是复杂的界面物理，包括接触变形、毛细管形成、电场及其复杂的耦合尚未全面解决的影响。

摘要

最近，德克萨斯农工大学Yuan Ma博士和M. Cynthia Hipwell教授团队提出了一个多物理场模型，用于预测纳米级手指-表面触觉相互作用的摩擦力。将纳米级多物理现象结合起来研究纳米纹理和表面能在触摸界面中的影响。以宏观摩擦力测量作为验证，该模型进一步用于提出具有最大电粘附效应和最小相对湿度和用户排汗率敏感度的纹理。该模型可以指导未来基于电粘附的表面触觉设备和其他基于触摸的人机界面的性能改进。相关论文以题为Nanotexture Shape and Surface Energy Impact on Electroadhesive Human–Machine Interface Performance发表在《Advanced Materials》上。

主图

图1 纳米结构形状和表面能对电粘附性能影响的示意图。a) 两种纹理玻璃（样品 A 和样品 B）上的触觉和摩擦示意图，有和没有疏水涂层，由皮肤和不同高度和不同表面能的纳米粗糙之间的毛细管力引起。b) 具有两种不同表面纹理（样品 A 和样品 B）的基于电粘附的表面触觉的有效性示意图，这是由电场、毛细管桥和不同高度的凹凸的相互作用产生的。在 (a) 和 (b) 中，较低的粗糙度（下排）和较高的粗糙度分别是样品 A 和样品 B 上单个粗糙度的概念草图，其地形图显示在右侧。

图2 地形和凹凸形状分析。a,b) (a) 中未涂层样品 A 和 (b) 中样品 B 的形貌，用原子力显微镜 (Bruker Dimension Icon AFM) 扫描。c) 在（a）和（b）中用点、虚线和实线标记了三个随机选择的凹凸不平的横截面，表明它们在坡度和顶部半径方面的相似性以及高度的差异。d) 用于建模的简化轴对称单粗糙几何。

图3 基于弯液面轮廓的毛细管力建模。

图4 电场与毛细管相互作用，产生总电粘附效应。

图5 实验和模拟摩擦力 (F) 与纹理摩擦力差异 (FA–FB) 和电粘附效应 (Fon–Foff)之间的比较。

图6 用不同的粗糙形状和表面能建模的电粘附性能。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202008337