[0067] 图1BW正视横截面图描绘粘附到一个外物14的图1A的示例电粘附性装置10。 外物14包括表面12W及内部材料16。电粘附性装置10的电粘附性抓持表面11抵靠外物 14的表面12或在其附近放置。接着使用与电极18电连通的外部控制电子设备（未示出） 经由电极18施加静电粘附电压。如图1B中所示，静电粘附电压在相邻电极18上使用交替 的正电荷与负电荷。由于电极18之间的电压差，产生一个或多个电粘附力，运些电粘附力 用W将电粘附性装置10与外物14保持彼此抵靠。归因于所施加的力的性质，将容易了解， 电粘附性装置10与外物14之间的实际接触是不必要的。确切地说，仅需要允许基于电场 的电粘附性交互作用发生的足够的接近度。举例来说，纸片、薄膜或其他材料或衬底可W放 置在电粘附性装置10与外物14之间。此外，尽管在此使用术语"接触"来表示电粘附性装 置与外物之间的交互作用，但将理解，并非始终需要实际上的直接的表面到表面接触，使得 例如绝缘体等一个或多个薄物体可W安置于装置或电粘附性抓持表面与外物之间。在一些 实施例中，抓持表面与外物之间的此类绝缘体可W是该装置的一部分，而在其他实施例中， 该绝缘体可W是分开的物件或装置。
[006引另外或替代地，电粘附性抓持表面与所抓持物体之间可W存在间隙，并且此间隙 在激活电粘附力之后可W减小。举例来说，电粘附力可W使得电粘附性抓持表面移动地得 更接近所抓持物体的外表面W便使该间隙闭合。此外，电粘附性吸引力可W使得抓持表面 在跨越抓持表面的表面区域的多个点处朝向所抓持物体的外表面移动。举例来说，顺应性 抓持表面微观、介观和/或宏观上符合该外表面。通过抓持表面的此类局部间隙闭合可W 由此使得抓持表面（至少部分地）符合物体的外表面。具有足够柔性W符合所粘附到的物 体的外部表面中的局部非均一性、表面缺陷W及其他微观变化和/或宏观变化的电粘附性 抓持表面在此被称为顺应性抓持表面。然而，应理解，在此所描述的抓持表面中的任一者可 W展现此类顺应性，而不管是否具体被称为顺应性抓持表面。
[0069] 图1CW正视横截面特写图来图示由于所粘附的示例电粘附性装置10中的电极之 间的电压差而形成于图1B的外物中的电场。在将电粘附性装置10放置在外物14上并且 施加静电粘附电压时，电场22形成于外物14的内部材料16中。电场22使内部材料16在 局部极化或在材料16上局部诱发与装置18的电极上的充电荷相反的直接电荷，并且因此 引起电极18(W及末端执行器10)之间的静电粘附W及外物16上所诱发的电荷。诱发电 荷可W是电介质极化的结果或来自弱导电材料W及电荷的静电感应。在内部材料16为例 如铜等强导体的情况下，诱发电荷可能会使电场22完全消除。在此情况下，内部电场22为 零，但尽管如此，所诱发电荷仍形成并且提供静电力到电粘附性装置。
[0070] 因此，静电粘附电压在电粘附性装置10与外物14的表面12下方的内部材料16 之间提供总体静电力，该总体静电力维持电粘附性末端执行器相对于外物的表面的当前位 置。该总体静电力可W足W克服在外物14上牵拉的重力，使得电粘附性装置10可W用来 将外物保持举起。在不同实施例中，多个电粘附性装置可W抵靠外物14放置，使得可W在 物体上提供附加静电力。静电力的组合可W足W提升、移动、抓放或W其他方式处置外物。 电粘附性装置10还可W附接到其他结构并且将运些附加结构保持举起，或该装置可W使 用于倾斜或易滑表面上W增大法向摩擦力。
[0071] 从电极18移除静电粘附电压停止电粘附性装置10与外物14的表面12之间的静 电粘附力。因此，当电极18之间不存在静电粘附电压时，电粘附性装置10可W更容易地相 对于表面12移动。此条件允许电粘附性装置10在施加静电粘附电压之前和之后移动。控 审IJ良好的电激活和撤消实现快速粘附和拆卸，例如响应时间小于约50毫秒（举例来说）同 时消耗相对较少量的电力。
[0072] 电粘附性装置10包括在绝缘材料20的外部表面11上的电极18。此实施例良好 地适合于到不同外物16的绝缘的和弱导电的内部材料14的受控附接。还涵盖电极18与 绝缘材料20之间的其他电粘附性装置10关系，并且适合与广泛范围的材料（包括导电材 料）一起使用。举例来说，薄电绝缘材料（未示出）可W位于电极的表面上。如将容易了 解，表面11与12之间的更短距离W及此类电绝缘材料的材料性质造成了由基于场的诱发 电粘附力的距离依赖性而导致的物体之间的更强电粘附性吸引力。因此，可W使用被适配 成至少部分地符合外物14的表面12的可变形表面11。
[0073] 在此使用时，术语静电粘附电压是指产生合适静电力W将电粘附性装置10联接 到外物14的电压。电粘附性装置10所需要的最小电压将随着数个因素而变化，例如：电粘 附性装置10的大小，电极18的材料导电率和间距，绝缘材料20,外物材料16,对电粘附的 任何干扰的存在（例如灰尘、其他颗粒或湿气），通过电粘附力支撑的任何物体的重量，电 粘附性装置的顺应性，外物的介电性质和电阻率性质，和/或电极与外物表面之间的相关 间隙。在一个实施例中，静电粘附电压包括电极18之间的差分电压，该差分电压在约500 伏特与约15千伏特之间。更低的电压可W用于微型应用中。在一个实施例中，该差分电压 在约2千伏特与约5千伏特之间。用于一个电极的电压可W是零。还可W将交替的正电荷 与负电荷施加到邻近电极18。单一电极上的电压可W随时间而变化，并且具体地说，可W在 正电荷与负电荷之间交替W便不对外物产生实质性长期充电。所得夹持力将随具体电粘附 性装置10的特性、该装置黏附到的材料、任何颗粒干扰、表面粗糖度等而变化。一般来说， 如在此所述的电粘附提供广泛范围的夹持压力，夹持压力通常被定义为由电粘附性末端执 行器施加的吸引力除W该末端执行器与外物接触的面积。
[0074] 实际电粘附力和压力将随设计W及数个因素而变化。在一个实施例中，电粘附性 装置10提供在约0. 7kPa(约0.Ipsi)与约70kPa(约lOpsi)之间的电粘附性吸引压力，但 其他量和范围当然是可能的。可W通过改变接触表面的面积、改变所施加电压和/或改变 电极与外物表面之间的距离来容易地实现具体应用所需要的力的量，但还可W按希望操纵 其他相关因素。
[0075]因为静电粘附力而非传统机械或"挤压"力为用W保持、移动或W其他方式操纵外 物的主要力，所W电粘附性装置10可W用于广泛的应用组中。举例来说，电粘附性装置10 良好地适合与粗糖表面或具有宏观曲率或复合形状的表面一起使用。在一个实施例中，表 面12包括大于约100微米的粗糖度。在一个特定实施例中，表面12包括大于约3毫米的 粗糖度。此外，电粘附性装置10可W使用于有灰尘或脏的物体W及易碎的物体上。具有不 同大小和形状的物体也可W由一个或多个电粘附性装置处置，如下文更详细地阐述。
[0076] 2b)电粘附性抓持表面
[0077] 尽管具有图1A的电粘附性抓持表面11的电粘附性装置10示出为具有六个电极 18,但将理解，一个给定电粘附性装置或抓持表面可W仅具有单一电极。此外，将容易了解， 一个给定电粘附性装置可W具有多个不同电粘附性抓持表面，其中每个分开的电粘附性抓 持表面具有至少一个电极并且被适配成抵靠在待抓持外物或紧邻该外物放置。尽管术语 电粘附性末端执行器、电粘附性抓持单元W及电粘附性抓持表面都在此使用W表示所关注 的电粘附性部件，但将理解，运些不同术语可W在不同情境中可互换地使用。具体地说，虽 然给定电粘附性装置可能包括众多相异抓持表面，运些不同抓持表面也可能被视为分开的 "装置"或替代地被视为"末端执行器"自身。具有多个不同抓持表面的实施例可W视为一 个单个装置，或还可W视为协同起作用的众多不同装置。
[0078] 参考图2A和图2B，W侧视横截面图示出其上具有单一电极的一对示例电粘附性 装置或抓持表面。图2A描绘具有与外物16的表面接触的电粘附性装置或抓持表面30、31 的电粘附性抓持系统50,而图2B描绘使电压施加到其上的装置或抓持表面的已激活的电 粘附性抓持系统50'。电粘附性抓持系统50包括直接接触外物16的两个电粘附性装置或 抓持表面30、31。每个电粘附性装置或抓持表面30、31上联接有单一电极18。在运些情况 下，电粘附性抓持系统可W设计为使用外物作为绝缘材料。当施加电压时，电场22形成于 外物14内，并且在抓持表面30、31与外物之间创建静电力。如将容易了解，可W使用包括 众多运些单电极电粘附性装置的不同实施例。
[0079] 在一些实施例中，电粘附性抓持表面可W呈其上具有多个电极的平板或薄片的形 式。在其他实施例中，抓持表面可W采用匹配最常提升或处置的外物的几何形状的固定形 状。举例来说，弯曲几何形状可W用W匹配圆柱形油漆罐或苏打罐的几何形状。可W通过不 同方式增强电极，例如通过于粘附性装置表面上图案化W改善电粘附性性能，或通过使用 软或柔性材料制造运些电极W增大对外物上的不规则表面的顺应性并且因此增大符合性。
[0080] 接下来转到图3A和图3B，W顶部透视图示出呈平板或薄片形式的电粘附性抓持 表面的两个实例，其中电极图案化于其表面上。图3A示出呈薄片或平板形式的电粘附性抓 持表面60,其中电极18于其顶部表面和底部表面上图案化。顶部电极组40与底部电极组 42在绝缘层44的相对侧上互相交叉。在一些情况下，绝缘层44可W由硬质或刚性材料形 成。在一些情况下，电极W及绝缘层44可W是顺应性的并且由例如丙締酸弹性体等聚合物 组成W增大顺应性。在一个优选实施例中，聚合物的模量低于约lOMPa，并且在另一个优选 实施例中，聚合物的模量更确切来说低于约IMPa。不同已知类型的顺应性电极适合与在此 所描述的装置和技术一起使用，并且实例描述于美国专利号7, 034, 432中，该专利通过引 用W其全文且出于所有目的而结合在此。
[0081]电极组42安置在绝缘层44的顶部表面23上，并且包括大量的线性的经图案化电 极18的阵列。公共电极41W电气方式联接组42中的电极18,并且准许使用到公共电极 41的单一输入引线与组42中的所有电极18进行电连通。电极组40安置在绝缘层44的底 部表面25上，并且包括从顶部表面上的电极18侧向地移位的线性的经图案化电极18的第 二阵列。底部电极组40也可包括公共电极（未示出）。如将容易了解，电极可W于绝缘层 44的相对侧上图案化W增大抓持表面60耐受较高电压差的能力而不受电极之间的气隙中 击穿的限制。
[008引或者，电极还可W在与绝缘层的相同的表面上图案化，例如图3B中所示出者。如 图所示，电粘附性抓持表面61包括薄片或平板，电极18仅于该薄片或平板的一个表面上图 案化。电粘附性抓持表面61可W实质上类似于图3A的电粘附性抓持表面60,只是电极组 46和48在顺应性绝缘层44的相同表面23上互相交叉。没有电极位于绝缘层44的底部 表面25上。此具体实施例减小组46中的正电极18与组48中的负电极18之间的距离，并 且允许将两组电极都放置在电粘附性抓持表面61的相同表面上。运在功能上去除了电极 组46与48之间归因于绝缘层44的间距（如在实施例60中）。它还去除了在顶部表面23 粘附到外物表面时在一组电极（先前在底部表面25上）与外物表面之间的间隙。在一些 情况下，顶部（电极）表面23可W进一步涂覆有绝缘材料（未示出），使得电极组46和48 完全夹层（例如，囊封）于绝缘材料之间。尽管可W使用任一实施例60或61，但后一实施 例61中的运些改变归因于两组电极46、48更接近于外物表面而在电粘附性抓持表面61与 待处置的目标外物之间提供相对较大的电粘附力。
[0083] 在一些实施例中，电粘附性装置或抓持表面可W包括性质上实质柔性的薄片或面 纱型抓紧器。在此类实施例中，可W不使用背衬结构或使用实质上柔性的背衬结构，使得面 纱型末端执行器或抓持表面的全部或一部分可W实质上晓曲或W其他方式符合一个或多 个外物，如对于给定应用可能希望的。可W例如通过用薄材料形成电粘附性层或抓持表面、 通过使用泡沫或弹性材料、通过从初级电粘附性薄片挤出护翼或延伸部、或通过仅在几个 所选下伏位置连接薄片而非连接到整个刚性背衬W及其他可能性来实现创建促进对外物 的此类符合或顺应性的电粘附性夹错。
[0084] 尽管用于呈平板或薄片形式的电粘附性抓持表面的前述示范性实施例将电极描 绘为杆或条带，但将理解，任何合适的电极图案还也可W用于此类薄片型电粘附性抓持表 面。举例来说，薄片型电粘附性抓持表面可W具有呈离散正方形或圆的形式的电极，运些电 极分布在薄片各处并且W适当方式极化，例如成均匀隔开的"大圆点（polka-dot)"型式图 案。还可W使用其他实例，例如两组电极经图案化为偏移螺旋形。作为其中例如聚合物等 薄并且柔性的材料用于绝缘层并且其中电极W离散圆盘形式分布的一个具体实例，所得的 柔性并且顺应性的电粘附性抓持表面"毯"将能够符合相对较大物体的不规则表面，同时在 电压施加期间提供众多不同并且离散的电粘附力到运些表面。
[0085] 2c)可变形抓持表面
[0086] 在此所描述的电粘附性装置的另一特征是在如图4A到图4C中所示的电粘附性装 置10中使用可变形表面和材料的选项。在一个实施例中，电粘附性装置10的一个或多个 部分是可变形的。在一个具体实施例中，运包括装置10上的表面32。在另一实施例中，电 极18之间的绝缘材料20是可变形的。电粘附性装置10可W使用材料顺应性（例如，软材 料作为绝缘材料20)或结构设计（例如，见纤毛或绒毛样结构）来实现变形能力。在一个 具体实施例中，绝缘材料20包括可弯曲但实质上不可弹性延伸的材料（例如，迈拉聚醋薄 层）。在另一实施例中，绝缘材料20为模量小于约lOMPa，且更确切来说小于约IMPa的软 聚合物。取决于特定应用，还可W容易地使用更硬或更软的材料。
[0087] 电极18也可W是顺应性的。绝缘材料20和电极18的顺应性可W用于上文所描 述的电粘附性装置安排10中的任一者中。电粘附性装置10中的顺应性准许装置10的粘 附表面32符合该表面所附接到的物体14的表面12中的特征。顺应性还可能与使用范德 华力被动地粘附到外物的能力有关。图4A示出根据本披露的特定实施例的符合粗糖表面 12的形状的顺应性电粘附性装置10。
[008引粘附表面32被定义为电粘附性装置的接触所粘附到的衬底表面12的表面。粘附 表面32可W包括或可W不包括电极。在一个实施例中，粘附表面32包括被添加W保护原 本否则将可能露出的电极的薄并且顺应性的保护层。在另一实施例中，粘附表面32包括 避免使残渣卡到该表面上的材料（例如，当已去除静电力时）。或者，粘附表面32可W包括 粘性或粘附性材料W帮助粘附到壁表面或高摩擦材料W抵抗由于给定法向力而相对于粘 附表面32的滑动。
[0089] 电粘附性装置10的顺应性常常改善粘附性。当电极18与绝缘材料20两者都能 够变形时，粘附表面32可W在最初并且在已施加初始电荷之后动态地符合粗糖表面12的 轮廓。相对于图4B进一步详细地描述此动态顺应性。此表面顺应性使得电极18能够更接 近于表面12,运增大由电粘附性装置10提供的总体夹持力。在一些情况下，静电力可W与 距离（例如，电极18与表面12之间的距离）的平方成反比。然而，电粘附性装置10中的 顺应性准许装置10建立、动态地改善并且维持与物体14的表面12的紧密接触，由此增大 由电极18施加的保持力。添加的顺应性还可W在微观尺度上提供表面12与32之间的更 大机械互锁W增大有效摩擦并且抑制滑动。
[0090] 顺应性准许电粘附性装置10在最初并且在已施加电能之后动态地符合表面12。 改善电粘附的此动态方法示出于根据本实用新型的另一实施例的图4B和图4C中。图4B示 出电粘附性装置10的表面32,此时装置10最初与具有材料16的结构的表面12接触。表 面12可W包括在宏观或可见水平（例如，可W容易地看到混凝±中的粗糖度）W及微观水 平（大多数材料）上的粗糖度和非均一性。
[00川有时，当两者如图4B所示而接触时，电粘附性电能施加到电极18。运在电极18与 表面12之间创建吸引力。然而，最初，作为对于大多数粗糖表面的实际情况，如图4B中可 W看出，众多间隙82存在于装置表面32与表面12之间。运些间隙82的数目和大小影响 电粘附性夹持压力。举例来说，在宏观尺度上，静电夹持是同衬底16与带电电极18之间的 距离（包括间隙82的距离）的平方成反比。而且，较更高数目的电极位点允许装置表面32 符合更大的局部表面粗糖度，并且因此改善总体粘附。但是，在微观尺度上，在间隙82减小 时，夹持压力的增大更为显著。此增大是归因于帕申定律（Paschen'slaw),该定律表明空 气的击穿强度在跨过小间隙上大大增大。更高击穿强度和更小间隙意味着高得多的电场 并且因此意味着高得多的夹持压力。可W通过使用电粘附性装置10的顺应性表面32或符 合表面粗糖度的电粘附机构来增大夹持压力并且改善电粘附。
[0092] 当吸引力克服电粘附性装置10中的顺应性时，运些顺应性部分变形，并且表面32 的若干部分移动得更接近于表面12。此变形增大电粘附性装置10与表面12之间的接触面 积，增大电粘附夹持压力，并且在装置10与物体14之间提供更强的电粘附。图4C示出在 电粘附性装置10归因于初始静电吸引力和顺应性而发生一些变形之后电粘附性装置10和 表面12的表面形状。许多间隙82已变小。
[0093] 此自适应塑