近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室在摩擦高压静电吸附研究领域取得新成果。研究以题为“Thin Film Electrostatic Adsorption Damper Based on Triboelectric High-Voltage”的论文发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。该研究提出的一种基于摩擦电高压的多层柔性薄膜静电吸附技术，为未来静电吸附技术发展和摩擦纳米发电机的高压应用提供了新思路。

导读：

静电吸附，作为一种现代可控吸附技术，已被广泛应用于多种领域，如集成电路制造中的静电卡盘ESC、机器人攀爬以及柔性夹具等。然而，传统的静电吸附系统面临着一个巨大的挑战：它们需要高达数千伏的电压来产生足够的吸附力，而这种高压通常只能由笨重的商业电源提供。这不仅增加了成本和系统复杂性，还限制了系统的便携性和灵活性及相关技术的进一步发展。

针对这一挑战，研究团队提出了一种创新的解决方案：利用摩擦纳米发电机（RF-TENG）通过相应整流单元后为多层柔性薄膜静电阻尼器（EAD）提供持续、稳定的动力。该研究工作中EAD的等效阻尼大幅度增加主要依赖其内部由静电感应和极化作用导致的静电吸附力的增加。其设计灵感来源于肌肉的收缩与舒张机制，通过模拟这一自然过程，给予静电吸附膜导电电极施加摩擦高电压使其整体结构硬化，实现了类似于人工肌肉的可变刚度效果。

图1  自供电静电吸附系统结构和原理

该自供电静电吸附系统主要由RF-TENG、整流单元和EAD组成，其中RF-TENG由定子和转子两部分组成，定子由一个矩形丙烯酸板组成，上面有两层铜箔电极并覆盖着尼龙薄膜，转子由一个圆形丙烯酸板和六片扇形聚氯乙烯（PVC）薄膜组成；EAD由两个对称部分组成，均包含相同的材料和结构，通过丝网印刷技术在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上制备梳状铜箔导电层，在导电层上覆盖一层聚酰亚胺（PI）介质层，形成EAD的一个部分，最后将两个相同的部分组合形成EAD。

图2  基于RF-TENG的EAD动态吸附特性

这项技术的核心在于通过调整与静电吸附力线性相关的驱动电压可直接改变EAD的静、动态电吸附特性，从而实现对其等效阻尼系数的精确调控。经过一维质量-弹簧-EAD振动系统不同参数下的阶跃、正弦响应结果分析后得到的EAD等效阻尼系数可在0.1 N s m-1和5 N s m-1之间进行精准稳定调控。这为静电吸附技术在实际应用中的潜力提供了有力证明。

图3  基于RF-TENG的自供电静电吸附系统应用

为了进一步验证EAD的实际应用价值，研究团队设计并测试了仿鱼鳞结构、可变刚度关节和重载起重器。这些演示不仅展示了EAD在轻质振动衰减、灵活的机器人臂抓取、可变刚度关节和局部硬化方面的应用潜力，更突显了其在先进布料防护、人工肌肉技术、负载提升等领域的广泛应用前景。

清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室程嘉副研究员与博士后杨泽为论文的共同通讯作者，清华大学硕士研究生赖哲民为论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202412984

撰稿：赖哲民、杨泽、程嘉