在教科书中，常常会提到静电感应而引起的静电吸引现象，即电中性的物体会被带静电的电极所吸引，这个被大家熟知了上百年的静电学常识，近期在实验观测中被颠覆。当电压较低的时候，产生的是正常的静电吸引现象；但是当电极电压继续升高，突破某个临界值时，本该被吸引的物体却出现了被排斥的反常现象。我们将这这一现象定义为单电极静电排斥，在此发现的基础上我们提出了静电镊子的概念。单电极静电排斥现象的发现进一步深化了人们对静电现象的理解，也为远程驱动和操纵提供了新的机会。近期，Research报道了来自流体动力基础件与机电系统全国重点实验室这一最新研究成果“Single-electrode electrostatic repulsion phenomenon for remote actuation and manipulation”。论文作者来自杨华勇院士团队，邹俊教授为论文通讯作者。![]()
Citation: Tang W, Yan D, Qin K,Guo X, Zhong Y, Xu H, Yang H, Zou J. Single-Electrode ElectrostaticRepulsion Phenomenon for RemoteActuation and Manipulation. Research 2024;7:Article 0393. https://doi.org/10.34133/research.0393
文章研究了单电极下的静电学基本现象，给出了静电力与电压的曲线，并定义了三个区域：静电吸引区域、共存区域和静电排斥区域（图1A）。
为讨论这个现象，按照传统的静电感应实验搭建了一个基本测试装置，该测试装置包括一个单电极片和一个变形片。当施加在电极片上的电压逐渐升高时，我们发现电压在U1以下时，随着电压的升高，变形片被吸引的角度逐渐变大，即静电吸引力逐渐变大。当超过U1时，变形片被吸引的角度反而变小，即静电吸引力逐渐变小。当电压继续增大，超过U0时，此时变形片不再是被吸引而是被排斥。之后，随着电压的增大，变形逐渐增大，意味着排斥力逐渐增大。我们将吸引力开始变小的电压值定义为U1，称之为共存电压阈值，将静电力由吸引到排斥的切换电压定义为切换电压阈值U0，将0到U1区间定义为静电吸引区域，将U1到U0区间定义共存区域，将U0以上区间定义为静电排斥区域。为探究这个现象背后的基本物理学原理，仔细分析了单电极片上的放电过程。当电压小于U1时，就是传统的静电感应现象。当电压大于U0时，研究认为电极产生了微弱的电晕现象，这导致电极周围的部分空气分子的电子被剥夺从而变成正离子并在空间中运动。此时，部分离子会附着到变形片上，导致变形片宏观表现为正电性而不是电中性。由于同性排斥，因此在库仑力的作用下，变形片被单电极片排开。此时如果减小电压，电晕现象减弱，静电感应现象重占上风，变形片被吸引；而重新增加电压，变形片又将被排斥。我们发现，这种静电驱动方式可以通过调整电压的大小实现吸引力与排斥力的连续可逆切换。值得注意的是，由于在高压下变形片有电荷的附着，在减小电压的过程中，与未附着电荷前相比，同样的电压产生的吸引力会减小， U0也会发生变化。这种影响随着变形片的面积增大以及时间间隔的增加而衰减，即被附着了电荷的物体回复电中性越快，影响越小。这个现象的发现，为静电方法用于远距离操作和驱动提供了机会。本研究提出了静电镊子的概念，它由单个的单电极或者多个单电极的组合构成。单个电极的镊子可用于驱动，仅需一个变形片即可。多个电极的静电镊子如图1B所示，对多个电极进行控制，控制电压在U0以上，可实现物体的操纵。静电镊子对被操作物体的材料没有特别的要求，可以是导体也可以是非导体，可以驱动和操作铜膜、纸、木头、塑料等。我们的静电镊子具有装置结构简单，控制简单，成本低的优势，可适用于宏观物体的远程操作。单电极静电排斥现象是由微弱的电晕引起的，排斥力为离子附着及库仑力作用的共同结果。我们对这一现象进行了详细的理论推导及数值模拟仿真。实验与仿真结果的高度一致性表明我们所建立的模型是合理的。基于单电极静电排斥的静电镊子用于驱动，只需要充当正极的电极片和变形片，无需负电极，这从原理上避免了介电击穿和短路。事实上，介电击穿和短路是大多数静电驱动方法的缺陷，大大降低了静电执行器的稳定性和可靠性。此外，静电镊子对被驱动物体的材料没有特殊要求。这意味着当静电镊子用于驱动机器人时，不需要在变形片上布置电极，从而减少电极和导线对运动的约束并降低结构设计的复杂度。与现有的柔性智能材料驱动方法相比，我们的单电极静电排斥驱动表现出更大更快的驱动效果，可以在0.5秒内实现超过60倍的变形。单电极静电排斥具有高的驱动频率，可以到100 Hz以上；在驱动频率为20 Hz时，仍能够保持较大的变形量。单电极静电排斥可以产生排斥力及实现无接触驱动，具有变形大、驱动速度快、结构简单的优势，非常适合用于驱动超材料和机器人。
为了展示静电镊子在实际场景中的操作能力，我们搭建了实验装置，用于操作在科学领域中较为常见的物体，即片状物和球状物。最远的操作距离可以达到15 cm。相比于光学镊子，静电镊子可以用于操作宏观物体。相比于声学镊子，静电镊子无需密闭空间且装置简单。相比于磁驱动，静电镊子对操纵物的范围更大，可以是导体也可以是非导体。因此，静电镊子能够以一种简单的装置用于实际场景中物体的远距离操作。- 发现了单电极静电排斥现象，研究了静电力与电压的曲线，并定义了三个区域：静电吸引区域、共存区域和静电排斥区域，进一步深化了人们对静电现象的理解。
- 提出了用于远距离驱动和操作的静电镊子的概念，具有变形大、驱动速度快、结构简单、操作物体范围广的优势，为静电方法用于远程驱动和操纵提供了前所未有的机会。
https://doi.org/10.34133/research.0393
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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表先进能源、先进制造、先进材料、人工智能、环境科学、柔性电子、健康科学、信息科学、微纳科技、量子信息、空间科学，11个热点交叉领域突破性原创研究成果。主编(中国)为中国科协副主席，中国科学院院士包为民，主编(国际)为欧洲科学与艺术学院院士、美国明尼苏达大学教授崔天宏。第二届编委会由许宁生、高松、黄如、李兰娟、饶子和、俞书宏、崔铁军等国内外70余位院士在内的190余位编委组成。2024年成立了青年编委会，有86位青年学者参与。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、SCIE、INSPEC、PMC、Scopus、SAO/NASA Astrophysics Data System数据库收录。IF=8.5，CiteScore=13.3，Q1区。
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e-ISSN: 2639-5274
p-ISSN: 2096-5168
CN: 10-1541/N
DOI Prefix: 10.34133
