近日，南方科技大学机械与能源工程系王宏强副教授团队在国际学术期刊 Nature Communications 上发表题为“A thin robot made of flexible electronics for in-situ machining and inspection of large structures”的研究论文。团队提出了一种新型的二自由度静电薄膜驱动器（electrostatic film actuator），基于柔性电路工艺实现，并具备良好的重复定位精度、速度和输出力。在此基础上，团队结合静电吸附技术进一步研制出一种厚度仅970 μm、质量约19.7 g的超薄柔性机器人，面向大型构件内部狭窄空间及复杂表面等传统机器人难以进入区域的原位加工与检测任务。

飞机、船舶等大型复杂构件在服役期间需要频繁检测、清洁和维护，常规加工机床难以容纳这类大尺寸对象。近年来，轮式、足式等原位作业机器人不断发展，但现有平台通常质量较大（>7 kg）、体积较大（最小尺寸>0.35 m），既可能使薄壳结构或精细表面变形受损，引发断裂、腐蚀等风险，也难以进入受限空间作业。因此，亟需发展新型驱动技术，构建能够进入狭小空间并适应复杂表面的柔性机器人，为原位加工与检修提供新的技术路径。

静电薄膜驱动器通过柔性薄膜中的微米级电极阵列产生静电驱动力，具有轻薄、柔性、低功耗和开环控制精度高等特点。然而，传统驱动器通常只能实现单一方向运动，限制了其在复杂作业中的应用。针对这一问题，团队提出了一种基于正交双层电极结构的二自由度驱动器。如图1（a）所示，该驱动器能在平面内产生两个相互正交的驱动力，从而驱动动子实现任意方向的平面运动；图1（b）和图1（c）分别展示了驱动器的电极细节与装配方式，体现了其易加工、易装配和具备规模化制备潜力等优势；图1（d）中，驱动器仅通过开环控制即可跟随“SUSTech”字母轨迹运动，展示了其定位能力。

图1 二自由度静电薄膜驱动器的机理、结构和性能。（a）二自由度静电薄膜驱动器的设计和原理，（b）驱动器薄膜及其电极图片，（c）驱动器装配示意图，（d）驱动器跟随“SUSTech”运动轨迹

在机器人层面，团队将静电吸附片通过柔性关节连接至二自由度驱动器端部，使机器人能独立调控动子/定子与基底之间的吸附/脱离状态，从而将驱动器的局部运动转化为机器人整体的大范围移动。如图2（a）所示，机器人能完成直线移动与斜向运动，最高运动速度约为39.0 mm/s，展示了其在原位作业中的运动基础。

同时，该机器人还具备良好的表面适应能力。如图2（b）所示，机器人可在亚克力、纸张、橡胶和木板多种非导体表面运动，体现了静电吸附足对不同材料表面的兼容性。图2（c）和图2（e）分别展示了机器人在曲面和垂直表面上的运动能力，说明其能适应飞机、船舶等大型构件中常见的曲面、立面等复杂几何结构。

得益于轻质的结构，机器人可面向脆弱或敏感表面开展低损伤作业，图2（d）展示了其在仅10 μm厚的铝箔表面运动而不造成破坏，体现了对薄壳结构和柔弱表面的友好性；得益于柔性结构设计，机器人还可在外部约束下贴合更复杂的几何表面运动，如图2（f）所示，其能在小曲率半径圆管外表面移动，展示了对复杂结构的适应能力；此外，机器人还具备一定负载能力和鲁棒性，图2（g）展示了其可携带约自重4倍的负载运动，说明该平台能搭载传感器、加工工具等功能模块；图2（h）则显示机器人在外部冲击变形后仍能保持运动功能，为复杂现场环境中的稳定作业提供了支撑。

图2 机器人运动性能展示。（a）二维运动，（b）非导体表面运动，（c）曲面运动，（d）10 μm铝箔承载，（e）垂直表面运动，（f）小半径圆管外表面运动，（g）负载测试，（h）鲁棒性测试

团队进一步展示了机器人在原位检测的应用潜力，通过将微型摄像头搭载在机器人足端，如图3（a）所示，机器人可进入高度仅7 mm的狭缝开展摄像，并通过扫描完成内部结构检测和三维重建，验证了其用于大型构件中受限空间内部检测的可行性。

在原位加工展示中，机器人可携带微型放电钨针到达指定区域，并可在9 mm × 9 mm的范围内实现3 × 3阵列点放电加工，如图3（b）所示。该结果说明，该平台具备将微尺度加工能力引入传统设备难以抵达空间的潜力。

团队还展示了机器人在原位打磨作业的应用，图3（c）展示了机器人携带砂纸在曲面上的打磨过程和结果，图3（d）进一步展示了可控区域打磨效果，验证了该平台用于大型构件复杂表面维护与局部处理的可行性。

图3 机器人原位作业展示。（a）狭缝检测和内部结构三维重建，（b）阵列放电加工，（c）曲面打磨，（d）可控区域打磨

总体来看，该研究将柔性电子制造、静电驱动与机器人系统设计相结合，构建了一种兼具轻薄形态、表面适应能力和工具搭载能力的超薄柔性机器人平台。相关展示验证了其在复杂表面运动、狭缝检测、曲面打磨和微尺度放电加工等原位作业场景中的可行性，为传统刚性机器人难以进入或难以安全作业的几何受限、敏感环境提供了新的原位检测与加工技术思路。

南方科技大学机械与能源工程系博士生王华岑为论文第一作者，南方科技大学机械与能源工程系硕士生代育津、访问学者王婷、本科生王武恒、史轹玮、邹嘉睿，访问学生郑泽钜为论文共同作者，王宏强为论文唯一通讯作者。南科大为论文第一单位。该项目获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金等资助。

供稿：机械与能源工程系

通讯员：李新月

主图：丘妍

编辑：曾昱雯