Elektroadhezyon altında insan parmağı ile dokunmatik ekran arasındaki elektro-mekanik kontak etkilişimleri

Elektroadezyon, robotik, otomasyon, uzay görevleri, tekstil, dokunsal ekranlar gibi çok yönlü ve etkili yapışmanın önemli olduğu alanlarda potansiyel uygulamaları olan umut verici bir teknolojidir. Bununla birlikte, teorik modellerin sınırlı gelişimi ve bunları doğrulamak için yetersiz deneysel veri üretilmesi nedeniyle, arkasındaki fizik hala tam olarak anlaşılamamıştır. Bu tez çalışmasında, elektroadezyon altında parmak ile dokunmatik bir ekran arasındaki elektrostatik kuvvetlerin büyüklüğünü tahmin etmek için elektro-mekanik bir model geliştirdik. Elektrostatik kuvvetlerin büyüklüğünü deneysel olarak anlamak için parmak ile dokunmatik ekran arasındaki sürtünme kuvvetlerini de ölçüyoruz. Geliştirdiğimiz model, deneysel verilerle iyi bir uyum içindedir ve elektrostatik kuvvetin büyüklüğündeki değişimin temel olarak parmağın Stratum Corneum katmanından 250 Hz'den düşük frekanslarda dokunmatik ekrana yük sızıntısından ve dokunmatik ekranın elektriksel özelliklerinden kaynaklandığını göstermektedir. Ayrıca, parmak ile dokunmatik ekran arasındaki elektrostatik kuvvetleri elektriksel empedans ölçümlerine dayanan bir yöntem ile tahmin etmek amacıyla, toplam empedansdan parmağın ve ekranın empedanslarının çıkarıldığı ve dolayısıyla kalan empedansın hesaplandığı yeni bir yaklaşım öneriyoruz. Bu yaklaşım, parmak ile iletken katmanına voltaj uygulanan kapasitif dokunmatik ekran arasındaki ortalama hava boşluğu kalınlığının deneysel tahminini yapan ilk çalışmadır ki bu kalınlık elektrostatik kuvvetlerin kestirilmesi için önemlidir. Ayrıca elektrot polarizasyon empedansının elektroadezyon üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Empedans ölçümlerimiz, elektrot polarizasyon empedansının, özellikle düşük frekanslarda, hava aralığının empedansına paralel olarak var olduğunu ve yukarıda bahsi geçen yük sızıntısına (parmaktan ekran yüzeyine) yol açtığını göstermektedir. Ayrıca, bu tezde, değişen parmak nem seviyelerine sahip on katılımcıyı kullanarak dokunmatik ekrana uygulanan DC ve AC voltaj sinyalleri için dokunsal algıyı da araştırıyoruz. Çalışmamız, bir AC sinyali için voltaj algılama eşiğinin, karşılık gelen DC sinyalininkinden önemli ölçüde düşük olduğunu göstermektedir. Bu tez kapsamında geliştirdiğimiz elektrik modelimiz bu farklılığın, düşük frekanslardaki yük sızıntısından dolayı meydana geldiğini işaret etmektedir. Ayrıca parmakları nemli olan katılımcıların geri kalan katılımcılara göre önemli ölçüde daha yüksek eşik seviyelerine sahip olduklarını gözlemledik ve bu gözlem de elektriksel empedans ölçümlerimizle desteklenmektedir. Son olarak, dokunmatik ekranın üst kaplama katmanının elektroadezyonlu ve elektroadezyonsuz dokunma duyumuz üzerindeki etkisini araştırmayı amaçladık ve bu tezin zaman çerçevesi içerisinde ikincisine odaklandık. Bu nedenle, ilk önce farklı malzemelerle kaplanmış dokunmatik ekran yüzeylerinde insanın dokunsal ayrım yeteneğini ölçmek için önce psikofiziksel deneyler, ardından çoklu fiziksel ölçümler yaptık. Deneysel sonuçlar, kaplama malzemesinin dokunsal algımız üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğunu ve insan parmağının, muhtemelen moleküler etkileşimler nedeniyle yüzey kimyasındaki farklılıkları tespit edebildiğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tezin bulguları, elektroadezyon altında parmak-dokunmatik ekran etkileşimlerinin fiziğine yeni bakış açıları sağlamakta ve elektroadezyon kullanan robotik sistemlerin ve dokunsal arayüzlerin tasarımına yönelik çıkarımlarda bulunmaktadır.