厘米级仿生鱼 | 清华大学深圳国际研究生院钱翔/曲钧天团队Soft Science发文:用于厘米级柔性水下机器人的可控介电弹性体执行器

Controllable dielectric elastomer actuators for centimeter-scale flexible underwater robot

Yali Zhang^#, Chen Zhang^#, Chenyu Zhang, Junhao Shi, Juntian Qu*, Xiang Qian*

01 卷绕式DEAs的制备工艺优化

介电弹性体作为最具潜力的软驱动器材料之一，具有大变形、快响应和高能量密度等特点，已成为柔性机器人领域的重点研究方向。

研究团队采用硅橡胶作为介电层、单壁碳纳米管作为柔性电极，开发了多层叠层-卷绕一体化制备工艺(图1)。针对制备过程中气泡和电极不均匀导致的击穿问题，团队创新引入自清洁工艺：通过逐步施加高压使缺陷处发生局部击穿，利用碳纳米管的高温降解特性消除微观缺陷，显著提升了驱动器的可靠性和工作寿命。

对比实验表明，卷绕式构型相比平面型DEAs具有更优异的水下性能。在500 V正弦驱动电压下，卷绕式DEAs在水下仍能保持较大弯曲幅度，而平面型DEAs的驱动能力在高阻水环境中被严重削弱。卷绕式DEAs的静态输出力与电压呈良好线性关系，600 V时可达80 mN，为水下机器人提供了充足动力。

图1. DEAs器件的工艺实现过程示意图

02 DEAs的机-电耦合建模与闭环控制

面对水下环境，DEAs因机、电耦合的强非线性特性和受水动力阻尼的显著影响，使得其准确建模和闭环控制极为困难。此前基于DEAs的水下机器人研究大多停留在开环演示阶段，难以应对实际水下环境中的复杂扰动。

为了实现准确控制，团队采用了包含寄生电容的二阶集总RC电学模型和五参数Mooney-Rivlin超弹性力学模型，构建了卷绕式DEAs的机-电耦理论模型。针对卷绕过程中的非理想性，引入经验结构缩放因子，理论模型与实际实验测结果的误差控制在10%以内(图2)。

在此基础上，团队建立了DEAs器件输入-输出的传递函数模型，并进行了参数辨识和模糊PID闭环控制器设计。通过实时测量驱动器的摆动角度，在线调整PID参数以适应动态变化的工况。实验结果显示，闭环系统在受到相当于两倍标称角度的水流扰动时，系统可在0.2 s内恢复，显著提升了系统的抗干扰能力和动态响应性能。

图2. DEAs器件的建模和控制系统设计

03 厘米级仿生机器鱼的性能验证

团队将可控DEAs应用于一款体长仅3厘米的蝠鲼仿生软机器人，由中央主体、两侧柔性胸鳍和尾鳍组成，每个鳍片均由独立的卷绕式DEAs驱动。系统实验验证了三种核心运动模式(图3)。

直游性能：在200-500 V电压范围内，游速与电压呈近似线性关系，最大游速达1.25 BL/s(体长/秒)，在同尺度DEAs驱动机器人中处于领先水平。

转向性能：通过单侧胸鳍驱动实现差动转向，调整驱动电压可以稳定的获得不同的转弯半径；最大转向速率达30°/s，转向过程前向位移仅0.75 BL，机动性优异。

上升与负载能力：通过尾鳍偏转配合胸鳍摆动实现上升运动，400 V以上可稳定上升，最大有效负载约2.6 g，超过自身重量的50%。

综上所述，该机器人在工作电压仅0.5 kV条件下，游速和转向性能方面均具有明显优势，且是少数实现了水下闭环控制的厘米级软体机器人。

图3. 厘米级仿生鱼不同运动模式的实验