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、曲钧天团队研制了基于卷绕式介电弹性体执行器的（DEAs）厘米级蝠鲼仿生鱼，并构建了“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。相关研究成果发表于《软物质科学》。

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。团队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伏正弦驱动电压下，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伏时可达80毫牛顿，为水下机器人提供了充足动力。

此外，为了实现准确控制，团队构建了卷绕式DEAs的机-电耦合理论模型，将理论模型与实际实验测结果的误差控制在10%以内。

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。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秒内恢复，显著提升了系统的抗干扰能力和动态响应性能。

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。系统验证了三种核心运动模式，包括直游性能、转向性能、上升与负载能力。在200至500伏电压范围内，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；最大转向速率达每秒30度，转向过程前向位移仅0.75体长，展现了优异的机动性。

最后，研究通过尾鳍偏转配合胸鳍摆动实现上升运动，400伏以上可稳定上升，最大有效负载约2.6克，超过自身重量的50%。

该研究建立了从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。

相关论文信息：https://www.oaepublish.com/articles/ss.2025.127