仿生柔性机器鱼具备高效推进、低噪声等优势，但用于驱动的各类柔性执行器的形变过程呈现高度非线性，且需面对复杂的水下环境，其闭环控制是一个有待突破的问题。

近日，清华大学深圳国际研究生院钱翔副教授、曲钧天副教授团队研制了基于卷绕式介电弹性体执行器（Dielectric Elastomer Actuators, DEAs）的厘米级蝠鲼仿生鱼，构建了“器件工艺优化-多物理场耦合建模-控制系统设计”的完整链路，实现稳定的多模态水下运动，为各类小型软体水下机器人的研制提供了系统方案。

图1.DEAs器件的工艺实现过程示意图

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，团队创新性地引入自清洁工艺：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500V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，600V时可达80mN，为水下机器人提供了充足动力。

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-电耦合理论模型。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.DEAs器件的建模和控制系统设计

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0.2s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）。

图3.厘米级仿生鱼不同运动模式的实验

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），包括直游性能、转向性能、上升与负载能力。在200-500V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。同时，通过单侧胸鳍驱动实现差动转向，调整驱动电压可以稳定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0.75BL，机动性优异。最后，研究通过尾鳍偏转配合胸鳍摆动实现上升运动，400V以上可稳定上升，最大有效负载约2.6g，超过自身重量的50%。

本研究建立了从DEAs制备、水下集成到闭环控制的完整技术流程，实现了厘米级柔性水下机器人的精准运动控制，为软机器人在海洋信息感知、管道等受限区域检测等领域的应用奠定了基础。未来团队将进一步聚焦优化DEAs结构以提升推进效率、解决高压屈曲问题以及开发紧凑型板载驱动模块，推动机器人从有线演示迈向完全自主水下作业。

研究成果以“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）为题，于5月14日发表于《软物质科学》（Soft Science）。

清华大学深圳国际研究生院2023级硕士生章雅丽和2025届硕士毕业生张辰为论文共同第一作者，钱翔和曲钧天为论文通讯作者。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院2024届硕士毕业生张晨宇和2024级硕士生史俊豪。研究得到国家自然科学基金的支持。