用于便携式触觉应用的独立式混合静电-气动执行器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Self-contained hybrid electrostatic-pneumatic actuator for portable haptic applications

混合电静压-气动执行器在毫米级实现无外部组件气动驱动，位移达62μm（300V），负载5g下位移40μm（350V/1Hz），能量密度7.4mJ/kg，功率密度28.1W/kg，适用于电子盲文等触觉反馈系统。

　　

崔恩淑（Eunsuk Choi）|孙贤贞（Hyeonjeong Sun）|崔承民（Seungmin Choi）|李承宰（Seungjae Lee）|尹叶恩（Yeoeun Yun）|黄奎彬（Kyubin Hwang）|李承贝克（Seung-Beck Lee）

韩国首尔城东区王西路222号汉阳大学信息显示与半导体研究所，邮编04763

摘要

在这项研究中，我们开发了一种毫米级混合静电-气动（HEP）执行器，该执行器将静电驱动机制和气动驱动机制结合在同一个共面同心结构中。HEP执行器通过静电作用驱动弹性膜，从而使气动腔室膨胀，无需任何外部气动组件，如泵、阀门或管道。一个半径为1.7毫米的实验装置在300伏电压下实现了约62微米的平面外位移。在5克负载下，以350伏电压和1赫兹的频率驱动时，HEP执行器实现了40微米的位移，这一位移远高于人类触觉感知的11.2微米阈值，并且输出能量密度为7.4毫焦耳/千克，输出功率密度为28.1瓦特/千克。这些参数足以满足人类触觉感知的需求，显示出其在电子盲文、便携式触觉接口和高分辨率触觉显示器应用中的巨大潜力。

引言

随着对更有效的人机交互（例如机器人、假肢、虚拟现实等）需求的不断增加，人们对触觉技术的兴趣也在迅速增长[1]。人类与机器之间的有效交互需要双向通信，包括精确的感知和可靠的反馈机制。尽管已经开发了多种传感器来检测人和机器的运动，但能够向人类提供反馈的触觉执行器仍然相对不成熟。目前，实际应用主要局限于简单的触觉设备，如触摸板和振动器，这些设备提供的触觉体验非常有限，通常还需要结合视觉或听觉提示。因此，迫切需要开发出能够提供真实且沉浸式触觉体验的先进触觉执行器。为了实现这种体验，触觉执行器必须达到人类手指的感知阈值和分辨率。人类手指可以感知浅至11.2微米的表面凹陷[2]，能够响应低至2.2–17.8毫牛顿的力（取决于频率[3]），并且能够区分仅相隔几毫米的空间细节[4]。

电磁执行器因其相对较大的尺寸（通常超过10毫米[5]、[6]、[7]、[8]）而在集成到电子设备中存在局限性。虽然可以在几毫米的尺度上制造电磁执行器[9]，但与人类皮肤的分辨能力相比，其尺寸仍然较大。气动执行器由于其高柔韧性和可变形性，在软触觉系统和软体机器人中得到了广泛应用[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，气动执行器需要额外的组件，如泵、阀门、流体端口、管道和流体储罐，这使得整个系统体积庞大，微型化变得复杂，便携性也受到限制。介电弹性体执行器（DEA）由通过静电吸引力压缩的弹性体制成，它们提供了便捷的电控和出色的机电性能；然而，其可实现的位移有限，大位移需要多层堆叠[16]、[17]、[18]，这限制了设计自由度并增加了制造难度。此外，由于弹性体层通常较薄（不到几十微米），在局部缺陷处可能会发生电击穿，从而影响可靠性[19]。静电执行器基于两个电极之间的静电吸引力工作，具有简单紧凑的结构，完全兼容微机电系统（MEMS）的制造工艺[20]。这些执行器通常产生凹陷（凹形）变形，而不是凸起变形，这种变形更容易被人类触摸感知[21]。因此，传统的静电执行器不太适合需要明显凸起结构的应用，例如为视障用户设计的电子盲文点。最近，一些新型执行器设计用介电流体替代了电极之间的空气，并利用液压放大来实现更高的输出力、能量和功率以及凸起几何形状[22,23]。然而，其中一些设计在初始状态下具有凸起结构或非平面配置，这降低了它们在实际平面设备阵列中集成的潜力。

在这项研究中，我们报道了一种毫米级混合静电-气动（HEP）执行器，其中静电执行器和气动执行器集成在同一个共面同心结构中。HEP执行器通过将空气注入气动腔室来使其向上凸起。这种简单自包含的结构消除了对泵、阀门、流体端口或管道等外部组件的需求，从而在微型化和系统集成方面具有优势。通过对关键几何参数的评估，我们制造了一个半径为1.7毫米的HEP执行器，在300伏电压驱动下实现了约62微米的位移。此外，实验表明，在5克负载下，当以350伏电压和1赫兹的频率驱动时，该执行器实现了40微米的位移，输出能量密度为7.4毫焦耳/千克，输出功率密度为28.1瓦特/千克，这些参数足以满足人类触觉感知的需求。其薄而简化的平面结构以及相对较低的驱动电压进一步增强了其在便携式触觉设备中的集成潜力。

设备设计、制造与分析

HEP执行器的设计结合了气动执行器和静电执行器，后者能够在无需外部组件（如泵、阀门或流体端口）的情况下将空气注入气动腔室。通过将静电和气动组件集成在同一个共面同心结构中，整个结构可以使用单一的平面微制造工艺同时制造，从而大大简化了设备组装过程。

结果与讨论

图4(a)展示了带有三种不同r_i值（300、400和500微米）的HEP执行器的底部基板的光学图像。无论r_i值如何，所有执行器的静电区域内径均固定为700微米，确保了各设备之间的静电区域相同。如图4(b)所示，底部电极被设计成环形结构，从内间隔中心开始，中央腔室没有电极；由此产生的电极内半径（r_e）

结论

在这项研究中，我们开发了一种毫米级混合静电-气动（HEP）执行器，其中静电驱动将空气注入气动腔室以引起变形，而无需任何外部气动硬件。通过将两种驱动机制集成到一个薄的、共面的同心结构中，HEP执行器实现了平面制造兼容性，简化了组装过程，并具有适合集成到微制造系统中的紧凑外形。

作者贡献声明

崔恩淑（Eunsuk Choi）：撰写初稿、可视化、方法论设计、概念化。黄奎彬（Kyubin Hwang）：研究工作。李承贝克（Seung-Beck Lee）：撰写与编辑、监督、项目管理、资金获取。孙贤贞（Hyeonjeong Sun）：验证、数据分析、概念化。崔承民（Seungmin Choi）：软件开发、数据分析。李承宰（Seungjae Lee）：资源调配、研究工作。尹叶恩（Yeoeun Yun）：可视化、研究工作。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持（项目编号：2022R1I1A1A01070985和2021R1A2C1013077），该计划由教育部资助。本研究还得到了BK21 FOUR（Brain Korea 21：培养卓越研究型大学）计划的支持。

崔恩淑于2016年在韩国首尔汉阳大学获得电子工程博士学位。目前，他是汉阳大学信息显示与半导体研究所的副教授，研究兴趣包括仿生触觉传感器、触觉显示器、氧化物半导体器件和软体机器人。