Untethered thin dielectric elastomer actuated soft robot

📄 arXiv: 2512.17940v1 📥 PDF

作者: Xi Wang, Jing Liu, Siqian Li, Hengtai Dai, Jung-Che Chang, Adam Rushworth, Xin Dong

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-12

💡 一句话要点

提出一种无线薄型介电弹性体驱动软体机器人，适用于狭窄空间操作。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 介电弹性体驱动器 无线驱动 低电压驱动 微型机器人

📋 核心要点

  1. 现有介电弹性体驱动软体机器人通常需要高电压和有线连接，限制了其在狭窄空间内的应用。
  2. 论文提出一种无线薄型软体机器人，采用低电压驱动的薄型介电弹性体驱动器，实现无束缚运动。
  3. 实验结果表明，该机器人能够在低电压下实现有效的运动，适用于复杂和受限环境。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种由薄型介电弹性体驱动器(TS-DEA)供电的无线软体机器人(UTS-Robot)。该机器人长38毫米，高6毫米，重2.34克，集成了灵活的板载电子设备，实现了完全无线的驱动。TS-DEA在220V的低驱动电压下，以86Hz的谐振频率运行，采用双驱动夹层结构，包含四个介电弹性体层，并粘合到可压缩的张紧机构上。这种设计通过三个方向的摩擦垫实现高功率密度驱动和运动。通过旋涂将每个弹性体层制造到50微米的初始厚度，然后双轴拉伸到8微米，从而实现低电压驱动。开发了一个全面的设计和建模框架来优化TS-DEA的性能。实验评估表明，裸TS-DEA在谐振时达到12.36毫米/秒的运动速度，无线配置达到0.5毫米/秒的运动速度，使其非常适合在狭窄和复杂的环境中导航。

🔬 方法详解

问题定义：现有基于介电弹性体驱动器(DEA)的软体机器人通常需要高电压和有线电源，这限制了它们在狭窄和复杂环境中操作的能力。尤其是在毫米级的狭小空间内，有线连接会严重限制机器人的运动自由度，而高电压则存在安全隐患。因此，如何设计一种能够在低电压下工作，并且能够实现无线驱动的软体机器人，是本文要解决的关键问题。

核心思路：本文的核心思路是设计一种低电压驱动的薄型介电弹性体驱动器(TS-DEA)，并将其集成到无线软体机器人(UTS-Robot)中。通过优化TS-DEA的结构和材料，降低其驱动电压，并采用板载电子设备实现无线供电和控制，从而实现机器人在狭窄空间内的自由运动。

技术框架：该UTS-Robot的整体架构包括以下几个主要模块：1) 薄型介电弹性体驱动器(TS-DEA)：负责产生驱动力；2) 可压缩张紧机构：用于提高TS-DEA的功率密度；3) 三方向摩擦垫：用于实现定向运动；4) 板载电子设备：包括电源、控制电路和无线通信模块，用于实现无线驱动和控制。整个流程是：板载电子设备接收控制指令，驱动TS-DEA产生形变，通过摩擦垫与地面产生作用力，从而实现机器人的运动。

关键创新：本文最重要的技术创新点在于TS-DEA的设计和优化。与传统的DEA相比，TS-DEA采用了双驱动夹层结构，包含四层介电弹性体，并结合可压缩的张紧机构，从而显著提高了功率密度，降低了驱动电压。此外，通过旋涂和双轴拉伸工艺，将弹性体薄膜的厚度减小到8微米，进一步降低了驱动电压。

关键设计：TS-DEA的关键设计包括：1) 弹性体薄膜的厚度：通过旋涂和双轴拉伸工艺控制在8微米；2) 驱动电压：优化材料和结构，将驱动电压降低到220V；3) 谐振频率：通过调整TS-DEA的尺寸和材料参数，使其工作在86Hz的谐振频率，以提高驱动效率；4) 摩擦垫的设计：采用三方向摩擦垫，实现定向运动。

📊 实验亮点

实验结果表明，裸TS-DEA在谐振频率下能够达到12.36 mm/s的运动速度，而集成了板载电子设备的无线UTS-Robot能够达到0.5 mm/s的运动速度。虽然无线配置下的速度有所降低，但仍然证明了该设计在低电压和无线驱动下实现有效运动的可行性。该研究为开发适用于狭窄空间的软体机器人提供了一种新的解决方案。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于医疗微创手术、工业管道检测、环境监测等领域。无线软体机器人能够在狭窄、复杂和危险的环境中执行任务，例如在人体血管内进行药物输送或在核电站内部进行检测。未来，通过进一步提高机器人的运动速度和负载能力，可以拓展其应用范围。

📄 摘要（原文）

Thin dielectric elastomer actuator (DEA) features a unique in-plane configuration, enabling low-profile designs capable of accessing millimetre-scale narrow spaces. However, most existing DEA-powered soft robots require high voltages and wired power connections, limiting their ability to operate in confined environments. This study presents an untethered thin soft robot (UTS-Robot) powered by thin dielectric elastomer actuators (TS-DEA). The robot measures 38 mm in length, 6 mm in height, and weighs just 2.34 grams, integrating flexible onboard electronics to achieve fully untethered actuation. The TS-DEA, operating at resonant frequencies of 86 Hz under a low driving voltage of 220 V, adopts a dual-actuation sandwiched structure, comprising four dielectric elastomer layers bonded to a compressible tensioning mechanism at its core. This design enables high power density actuation and locomotion via three directional friction pads. The low-voltage actuation is achieved by fabricating each elastomer layer via spin coating to an initial thickness of 50 um, followed by biaxial stretching to 8 um. A comprehensive design and modelling framework has been developed to optimise TS-DEA performance. Experimental evaluations demonstrate that the bare TS-DEA achieves a locomotion speed of 12.36 mm/s at resonance, the untethered configuration achieves a locomotion speed of 0.5 mm/s, making it highly suitable for navigating confined and complex environments.