南科大王宏強團隊在靜電薄膜驅動器與超薄機器人領域取得研究進展

　　【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學機械與能源工程系王宏強副教授團隊在國際學術期刊 Nature Communications 上發表題為“A thin robot made of flexible electronics for in-situ machining and inspection of large structures”的研究論文。團隊提出了一種新型的二自由度靜電薄膜驅動器(electrostatic film actuator)，基于柔性電路工藝實現，并具備良好的重復定位精度、速度和輸出力。在此基礎上，團隊結合靜電吸附技術進一步研制出一種厚度僅970 μm、質量約19.7 g的超薄柔性機器人，面向大型構件內部狹窄空間及復雜表面等傳統機器人難以進入區域的原位加工與檢測任務。
 

　　飛機、船舶等大型復雜構件在服役期間需要頻繁檢測、清潔和維護，常規加工機床難以容納這類大尺寸對象。近年來，輪式、足式等原位作業機器人不斷發展，但現有平臺通常質量較大(>7 kg)、體積較大(最小尺寸>0.35 m)，既可能使薄殼結構或精細表面變形受損，引發斷裂、腐蝕等風險，也難以進入受限空間作業。因此，亟需發展新型驅動技術，構建能夠進入狹小空間并適應復雜表面的柔性機器人，為原位加工與檢修提供新的技術路徑。
 

　　靜電薄膜驅動器通過柔性薄膜中的微米級電極陣列產生靜電驅動力，具有輕薄、柔性、低功耗和開環控制精度高等特點。然而，傳統驅動器通常只能實現單一方向運動，限制了其在復雜作業中的應用。針對這一問題，團隊提出了一種基于正交雙層電極結構的二自由度驅動器。
 

　　在機器人層面，團隊將靜電吸附片通過柔性關節連接至二自由度驅動器端部，使機器人能獨立調控動子/定子與基底之間的吸附/脫離狀態，從而將驅動器的局部運動轉化為機器人整體的大范圍移動。如圖2(a)所示，機器人能完成直線移動與斜向運動，最高運動速度約為39.0 mm/s，展示了其在原位作業中的運動基礎。
 

　　同時，該機器人還具備良好的表面適應能力。機器人可在亞克力、紙張、橡膠和木板多種非導體表面運動，體現了靜電吸附足對不同材料表面的兼容性。機器人在曲面和垂直表面上的運動能力，說明其能適應飛機、船舶等大型構件中常見的曲面、立面等復雜幾何結構。
 

　　得益于輕質的結構，機器人可面向脆弱或敏感表面開展低損傷作業，其在僅10 μm厚的鋁箔表面運動而不造成破壞，體現了對薄殼結構和柔弱表面的友好性；得益于柔性結構設計，機器人還可在外部約束下貼合更復雜的幾何表面運動，其能在小曲率半徑圓管外表面移動，展示了對復雜結構的適應能力；此外，機器人還具備一定負載能力和魯棒性，展示了其可攜帶約自重4倍的負載運動，說明該平臺能搭載傳感器、加工工具等功能模塊；則顯示機器人在外部沖擊變形后仍能保持運動功能，為復雜現場環境中的穩定作業提供了支撐。
 

　　團隊進一步展示了機器人在原位檢測的應用潛力，通過將微型攝像頭搭載在機器人足端，如圖3(a)所示，機器人可進入高度僅7 mm的狹縫開展攝像，并通過掃描完成內部結構檢測和三維重建，驗證了其用于大型構件中受限空間內部檢測的可行性。
 

　　總體來看，該研究將柔性電子制造、靜電驅動與機器人系統設計相結合，構建了一種兼具輕薄形態、表面適應能力和工具搭載能力的超薄柔性機器人平臺。相關展示驗證了其在復雜表面運動、狹縫檢測、曲面打磨和微尺度放電加工等原位作業場景中的可行性，為傳統剛性機器人難以進入或難以安全作業的幾何受限、敏感環境提供了新的原位檢測與加工技術思路。
 

　　南方科技大學機械與能源工程系博士生王華岑為論文第一作者，南方科技大學機械與能源工程系碩士生代育津、訪問學者王婷、本科生王武恒、史轢瑋、鄒嘉睿，訪問學生鄭澤鉅為論文共同作者，王宏強為論文唯一通訊作者。南科大為論文第一單位。該項目獲得了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省自然科學基金等資助。
 

　　引用：南科大王宏強團隊在靜電薄膜驅動器與超薄機器人領域取得研究進展 南方科技大學 【引用時間：2026年7月9日】