能夠持續輸出機械能的自振蕩運動在生物體活動中起著至關重要的作用，這啟發了人們利用自振蕩來設計新型仿生柔性機器人。基于自振蕩驅動器的柔性機器人可以模擬爬行、游泳等仿生運動，提高了機器人運動的性能和多樣性。然而，當前的自振蕩驅動器大多需要精確控制外部刺激能量，如熱/濕度梯度、圖案化的光照等。設計結構簡單、可控的自振蕩驅動器，以及在此基礎上實現對柔性機器人運動的精確控制仍然是一個挑戰。
近日，合肥工業大學胡穎研究員、常龍飛副研究員團隊與趙玉順教授合作，發展了一種靜電驅動的石墨烯振蕩器，該振蕩器能夠在直流電壓刺激下產生持續振蕩運動。受海豹運動啟發，進一步設計了一種電/光協同驅動的仿海豹機器人，其中石墨烯振蕩器作為仿生后鰭提供推進力，并引入柔性光驅動器作為前鰭來控制運動方向。該機器人能夠在電/光刺激下實現攜帶物體移動、繞開障礙物、定點停車等可控運動。
2025年7月29日，相關成果以“Seal-Bioinspired Electrostatic Oscillation-Based Soft Robot with Light Tunable Locomotion”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。
海豹能在陸地也能在水下運動。如圖1a所示，在水下運動時，海豹主要依靠擺動后鰭來提供向前的推力，并通過拍打前鰭來改變運動方向。相比之下，海豹在陸地上活動時，主要以胸部和骨盆為接觸點，通過自身的背腹起伏向前移動。由于缺乏后鰭連續拍打所提供的巨大動量，海豹在地面上的移動速度相對較慢。受海豹兩種運動模式的啟發，設計了一種具有可控運動的仿海豹機器人。該機器人包含兩個部分（圖1b），1）機器人主體由直流電壓驅動的石墨烯自振蕩器制成，模擬海豹后鰭的連續拍打，為運動提供強大的驅動力。2）機器人兩側安裝了兩個光驅動器，模擬海豹的前鰭用于調整運動方向。
圖1 (a) 海豹在水中和陸地上的兩種運動模式；(b) 模仿海豹運動的電/光驅動的柔性機器人。
該石墨烯振蕩器為懸臂梁結構，放置在兩平行板電極之間，一端固定，另一端自由懸掛。直流電源連接在兩電極板上以提供穩定的直流電場。在電極之間施加 360 V 的直流電壓（電場強度為24 V mm?1），石墨烯薄膜在兩電極之間產生了持續的左右彎曲振蕩，如圖2和視頻1所示。其振蕩運動的驅動機制歸因于靜電感應效應，以及荷電極性變化引起的靜電力方向變化。振蕩運動的頻率可通過施加的電壓來控制，在100 V mm?1的電場強度下，振蕩頻率可達10.8 Hz。該石墨烯振蕩器還具有出色的機械輸出性能，能攜帶超自身重量9倍的物體（16.8毫克）持續振蕩。
圖2 靜電驅動的石墨烯振蕩器及其性能。
基于石墨烯振蕩器在直流電場下持續振蕩運動的特性，可以利用它來構建一種新型的電-機械動力系統。通過模仿海豹在水里和陸地上的運動，設計了一種可以在電場下自主移動的仿海豹柔性機器人，如圖3所示。該機器人以石墨烯振蕩器作為后鰭，聚酰亞胺（PI）薄膜為身體。石墨烯振蕩器產生的振蕩運動為機器人運動提供了持續的機械動力，半圓形PI身體為機器人的運動提供了支撐點，并有助于減少機器人與地面之間的摩擦。同時，聚酰亞胺的電絕緣性能還可以避免石墨烯振蕩器和電極板之間的短路風險。與海豹在水下通過擺動后鰭向前移動類似，當施加電場時，仿海豹機器人可以通過石墨烯振蕩器的往復振蕩在電極板上實現自主運動。在30秒內，機器人運動了約49毫米的距離。該仿海豹機器人還具有帶負載移動的能力。在直流電場的刺激下，可以攜帶一個約為自重5.2倍（44.6 mg）的物體向前運動。這表明了該機器人在特殊場景中的潛在應用，如在狹窄的帶電環境中運輸物體、檢測等。
圖3 以石墨烯振蕩器作為馬達的仿海豹機器人在電場驅動下的自主爬行運動，及攜帶物體向前移動。
通過電場驅動的機械振蕩運動，可以初步實現仿海豹機器人的自主運動。然而，僅靠振蕩運動很難控制機器人的運動方向。因此，進一步引入能產生可逆變形的柔性驅動器作為仿生前鰭，來控制運動的方向。為了減少仿生前鰭的加入對機器人整體結構和運動的影響，選擇了能遠程操控的光驅動器來構建機器人的仿生前鰭（圖4a）。將光照下產生快速大變形的PE/MXene光驅動器（圖4b、c）組裝在機器人兩側來控制其運動方向。當施加直流電壓后，石墨烯振蕩器產生振蕩并推動機器人前進。在此過程中，光束照射到光驅動器上，使其變形并接觸到下極板，導致移動中的機器人轉向。作為驗證，展示了仿海豹機器人在電壓和光照的雙重刺激下，以“S”軌跡繞過兩個障礙物（圖4d和視頻4）。在104s內，該機器人移動了約180 mm，且具有良好的轉向性（圖4e）。
圖4 光/電操控的仿海豹機器人及其可控運動。
除了驅動機器人前進外，石墨烯振蕩器還可以通過特殊的設計來構建能夠連續圓周運動的旋轉機器人。石墨烯振蕩器在電場的驅動下產生推力，帶動機器人順時針方向旋轉。旋轉機器人旋轉一圈僅需 0.88 秒（圖5）。
圖5. 基于石墨烯振蕩器的旋轉機器人。
該石墨烯振蕩器以及仿生機器人具有結構簡易、機械能持續輸出、可控性強等優點，有望應用于緊湊型電力設備、氣體絕緣輸電線路的內部運行和巡檢。此外，作為一種機械輸出穩定的新型電機，石墨烯振蕩器有望通過電極的小型化和柔性化進一步拓展應用范圍，在新型智能機械系統和微型軟機器人等領域展現出較大的前景。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512768
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