折纸介导低压驻极体软体机器人执行器用于人机触觉接口

《Advanced Science》：Origami-Mediated Low-Voltage Electret Soft Robotic Actuators for Human-Machine Haptic Interfaces

　　

软体机器人执行器通常需要较高的驱动电压，这限制了其在可穿戴触觉接口中的便携性、安全性以及与紧凑型电子系统的兼容性。在实现低电压下强机电耦合的同时保持机械顺应性，仍是软体执行器设计的关键挑战。本研究提出了一种折纸介导的低压驻极体软体机器人执行器，在对称多层结构中集成了机械顺应性与电学功能。两层带有封闭微气腔阵列的双层氟化乙烯丙烯（FEP）驻极体薄膜被置于折叠铜制折纸结构的两侧。折纸层充当具有可调弹簧响应的顺应性电极，而气腔阵列有助于实现高表面电势与稳定的电荷保持。通过联合优化驻极体充电与折纸刚度，该执行器在驱动电压低至20 V时可产生可感知的振动触觉反馈，并在70 V下利用7段执行器阵列实现了可靠的触觉数字识别。在超过10 h的高频运行中保持了稳定的输出与耐久性。在虚拟现实钢琴训练任务中的应用进一步表明，运动学习表现与感知沉浸感均得到统计学意义上的显著提升。该方法为具备稳健触觉性能的紧凑型低压人机触觉接口提供了一条可行路径。

研究背景与总体概述

在具身智能与人机闭环机器人系统中，视觉、听觉与触觉的协同集成是实现自然直观人机交互的基础。当前视觉与听觉模态受益于传感、计算与显示技术的快速发展，而触觉反馈在柔软、贴肤系统中的发展相对滞后，主要受限于电压、刚度与可扩展性约束。传统触觉反馈技术多基于偏心旋转质量电机、线性谐振执行器等刚性驱动机制，虽然输出稳定，但体积大、顺应性差，难以与柔软可贴合的身体接口平台无缝集成。各类软电活性聚合物虽提供了柔性替代方案，却普遍面临驱动电压高、输出力受限或长期可靠性不足等问题，带来安全性与系统集成层面的挑战。针对这些瓶颈，研究人员开发了折纸介导的低压驻极体软体机器人执行器，将驻极体静电驱动与可调机械折纸结构相结合，在保证低电压运行的同时兼顾机械顺应性。该研究由Ministry of Education Academic Research Fund Tier 1（A-8004048-00-00）、PCL重大重点项目（PCL2025A17-2、PCL2025A12-2）及广东省科技计划项目（2024B0101010003）资助，成果发表于《Advanced Science》。实验结果表明，该执行器在20 V即可产生可感知振动触觉，70 V下可实现高精度触觉数字识别，并在虚拟现实钢琴训练任务中显著提升用户操作表现与沉浸感，为下一代可穿戴沉浸式人机接口提供了高性能触觉反馈平台。

主要关键技术方法

研究采用双层氟化乙烯丙烯（FEP）驻极体结合封闭微气腔阵列的结构设计，通过电晕充电实现高表面电势与稳定电荷存储；采用规则十二边形折纸（Regular Dodecagonal Origami, RDO）结构作为中心电极与弹性元件，通过几何参数调控刚度；构建等效集总物理模型分析指尖-执行器相互作用；通过主观感知评估与客观力学测量相结合的方法确定最优预载与驱动频率；利用激光位移传感器与力测量系统表征输出性能；设计并测试7段执行器阵列的触觉数字识别能力；在虚拟现实钢琴训练系统中验证触觉反馈对学习表现与主观体验的影响。

研究结果

2.1 器件结构与工作原理

执行器采用对称多层结构，两侧为带微气腔阵列的双层FEP驻极体薄膜，中间为折叠铜制折纸结构，兼具顺应性机械弹簧与正驱动电极功能。外覆聚酰亚胺（PI）薄膜用于电学绝缘与机械保护。结构仿真显示，在正弦交流电压驱动下，折纸结构周期性压缩与恢复，实现高频振动。电学模型表明，驻极体内建电场与外部驱动电场叠加产生静电力，驱动折纸变形并在预载下产生振动触觉。随着驻极体表面电势提升，相同输出力所需驱动电压显著降低。器件具备良好弯曲柔性与机械耐久性，可承受超过200次手动弯折而不失效。

2.2 驻极体层的表面电势与电荷保持

相比单层FEP驻极体，双层带气腔结构初始表面电势可达约?1.8 kV，7天内电荷衰减率由53.9%降至30.8%。气腔内空气在电晕充电时发生帕邢击穿，形成内部电荷，配合密封环境抑制电荷泄漏。72个气腔配置下充电效率最高。探针-样品距离约5 cm为最佳充电条件，温度过高会降低电荷保持率。规则十二边形折纸因接触点离散，电荷中性化面积最小，在组装与循环按压后仍能保持约?1200 V的表面电势，并提供最稳定的机械响应。

2.3 力学性能与预载依赖的驱动行为

预载与折纸刚度共同决定振动幅值与触觉输出。通过调节中心切口尺寸实现刚度调控，1127 N/m刚度、0.9 N预载条件下输出能量最大，振动幅值达2.47 μm。频率感知测试显示，240 Hz为人类触觉最敏感频段，被选为固定工作频率。主观与客观结果一致确认该配置下触觉感知最强。

2.4 驱动性能与稳定性

在240 Hz下，输出力随驱动电压单调增加，100 V时约为10 mN，足以产生清晰触觉。频率在160–300 Hz范围内输出力变化较小，但人类感知差异显著，凸显匹配受体频率特性的重要性。响应时间约3.2 ms，功耗为毫瓦级（0.034–4.42 mW）。双层驻极体在不同湿度环境下均优于单层，连续驱动10 h（约8.64×10⁶次循环）后输出力保持率达87.75%。弯曲半径20 mm时仍保留约70%–80%性能，适合曲面佩戴。

2.5 基于执行器阵列的数字识别

7段执行器阵列可在70 V下实现十个数字的平均识别准确率98.66%，参与者经少量训练即可快速掌握振动模式。

2.6 虚拟现实触觉反馈演示

在虚拟现实钢琴训练中，触觉反馈将达标所需试验次数由12.69±3.05次降至5.38±1.31次，音符错误数由3.38±0.50减少至1.38±0.50，纠错动作由3.75±0.68减至1.31±0.48。主观评分在真实感、沉浸感、清晰度方面均显著提升，舒适度略有改善。

讨论与结论翻译

本研究提出的折纸介导低压驻极体软体机器人执行器，通过联合优化表面电荷保持与机械刚度，实现了低电压下的稳定振动触觉反馈。双层FEP驻极体与微气腔阵列确保了表面电势的稳定性，折纸弹簧提供可调刚度以匹配典型指尖预载。在最优刚度1127 N/m与0.9 N预载下，执行器达到最大机械输出；在240 Hz下振动幅值为2.47 μm，在70–100 V即可产生清晰触觉；经过8.64×10⁶次驱动循环后输出力保持在初始值的87%以上，显示出优异的机械耐久性与电荷保持能力。在应用层面，7段执行器阵列在70 V下实现了数字模式的98.66%识别准确率，虚拟现实钢琴训练系统通过指尖触觉反馈提升了沉浸感。这些结果凸显了该执行器在低电压运行、空间可寻址驱动及与可穿戴触觉接口兼容性方面的优势。总体而言，本研究确立了折纸介导驻极体执行器作为一种可扩展、机械可编程且低电压的触觉平台，为下一代可穿戴与沉浸式人机接口提供了高性能触觉反馈。同时，研究也指出实际应用需考虑环境湿度耐受性有限、长期电荷保持不足以及大面积高密度集成的可扩展制造等挑战。