機器人的“折紙”骨架如何實現“小身材，大能量”？

一臺高僅0.73米的緊湊三角柱體機器人，抵達目標位置后，三條伸縮機構同步展開，瞬間撐起高3.43米的四面體框架；框架頂端承載著12.5公斤的3D打印系統，穩穩打印出高達2.5米的塔狀結構...

據探索前沿科技邊界，傳遞前沿科技成果的X-robot投稿，這個宛如“變形金剛”的場景,正是來自《Science Robotics》上發表一項突破性的成果——折疊卷繞式波紋（FoRoGated）結構。

▍機器人的“伸縮難題”：既要“裝得下”，又要“扛得住”

在機器人技術快速發展的今天，許多應用場景都要求機器人能夠“伸縮自如”。

比如，倉儲機器人需要在狹窄通道靈活移動，又要夠到高處貨架；救援機器人要能鉆進狹小縫隙，再展開機械臂清理障礙；甚至太空探索機器人，必須在火箭艙內緊湊收納，抵達目標后再展開大型設備。

這些需求背后，隱藏著一個核心矛盾：如何讓機器人的可伸縮機構既能“裝得下”（緊湊存儲），又能“扛得住”（高承載、抗彎曲）？
傳統的可伸縮機構主要采用“卷繞式設計”。

就像卷尺一樣，將結構展平后卷繞在輪轂上存儲，展開后形成波紋狀結構來保證剛度。比如常見的可存儲管狀伸縮構件（STEM），能展平成單層薄片卷繞；三角形可伸縮折疊（TRAC）臂則由兩層帶狀彈簧組成，展平后卷繞存儲。這些設計確實實現了緊湊存儲，但存在難以克服的缺陷：

可存儲管狀伸縮構件

一方面，層數越多，抗彎能力越強，但卷繞時內外層周長差會導致內層屈曲，限制實際可用層數，例如TRAC臂最多只能做到兩層，這就導致其承載能力天花板很低。

另一方面，傳統結構的剛度和存儲尺寸高度綁定。比如TRAC臂的剛度是STEM的30倍，但需要的輪轂半徑是STEM的7.6倍，這意味著，想要高剛度，就必須犧牲緊湊性；想要緊湊存儲，就只能妥協承載能力。
那么，有沒有一種設計，既能像多層結構一樣提供高強度和剛度，又能像滑動結構一樣實現平滑、緊湊的卷繞，同時還具備良好的可擴展性呢？

答案是肯定的。近日，來自首爾大學的研究團隊從折紙技藝中獲得了靈感，開發出了折疊卷繞式波紋（FoRoGated）結構，一種既可折疊又可卷曲的交錯結構。

▍折紙+編織：FoRoGated結構的創新解法

折紙，這門用紙折疊出各種形狀的技藝，背后蘊含著深刻的幾何和力學原理。折紙結構中的“折痕”就像是一系列密集排列的、共享同一軸線的“旋轉關節”，而連接折痕的“面”則是相對剛性的部分。

這些關節能讓相鄰的剛性面片緊密約束、相互支撐，從而具備意想不到的承載能力——一張普通的A4紙，折疊成瓦楞狀后，能輕松承受幾倍于自身重量的物體。
FoRoGated結構借鑒了這一原理：通過密集的平行約束，讓相鄰條帶緊密連接，避免局部變形。但與傳統折紙不同的是，它需要解決多層卷繞時的周長差異問題——如果只是剛性連接，多層卷繞時的滑動會導致結構撕裂；如果連接太松，又會失去約束作用，無法保證剛度。

FoRoGated結構的概念和制造方法的示意圖

為了解決約束與滑動的矛盾，研究團隊想到了“編織”的思路。

在FoRoGated結構中，多條平行的剛性“條帶”并不是簡單地粘合在一起，而是通過柔性的“帶狀”材料像編織一樣交錯地連接在一起。這種編織方式在條帶之間形成了大量平行且重復的連接點，這些連接點無需膠水粘合，卻能實現“折疊”與“滑動”的完美解耦：

折疊時，條帶像滾動的關節一樣，通過絲帶的彎曲實現靈活折疊，不會產生卡頓；

卷繞時，條帶能在絲帶形成的間隙中平滑滑動，內層和外層的周長差異被滑動抵消，不會出現擠壓變形。

這種設計的妙處在于，無論卷繞時的滑動量有多大，條帶之間的密集約束始終保持——就像編織的籃子，藤條之間既能相對移動，又能相互支撐，整體結構依然穩固。
擁有了FoRoGated這一核心結構后，還需一套驅動和控制系統來實現其從“蜷縮”到“伸展”的形態轉換。這套可伸縮機構在空間上可分為三個區域：結構緊密卷繞在輪轂上的存儲區；結構從扁平形態過渡為堅固波紋形態的形狀過渡區；以及結構完全展開并向外延伸的伸展區

可伸縮機構的結構和驅動示意圖

為實現這一平滑變形，系統中設置了兩類關鍵組件。成型組件如同模具，引導結構在過渡區的起點和終點完成形態轉換；而分布在伸展區的形狀保持單元，則通過內部的特定狹縫將結構“鎖定”在波紋形態，有效防止其在負載下塌陷。整個驅動機制非常簡潔，通常僅需一個電機驅動輪轂正反轉，配合以被動方式（如細繩）連接的形狀保持單元，即可高效完成伸展與回收，無需復雜控制系統。
▍性能如何？理論與實驗的驗證

為了評估FoRoGated結構的力學性能，研究人員建立了簡化的理論模型和計算機仿真模型，并與實物實驗進行了對比。

分析表明，FoRoGated結構的性能具有高度的可擴展性和方向性。

FoRoGated-Structure的FEM和疊加法簡化模型

可擴展性：結構的彎曲剛度和臨界承載彎矩（即開始失效前的最大力矩）隨著條帶數量的增加而近似線性增長。這意味著，只需增加條帶數量，就能顯著提升機構的“力量”。

方向性：結構在不同方向上的剛度和強度有所不同。例如，沿著波紋方向（+X方向）通常是最強的。但隨著條帶數量的增加，各個方向上的強度會變得更加均衡，使其能適應更復雜的受力情況。

與傳統優秀的可卷曲結構（如TRAC臂）在相同輪轂尺寸下進行比較時，FoRoGated結構展現出了巨大優勢：

一個雙條帶的FoRoGated結構，其主方向彎曲剛度是TRAC臂的1.55倍而臨界彎矩（強度）更是達到了TRAC臂的3倍以上；當使用四條帶時，剛度提升至3.27倍，強度提升至6.07倍；使用六條帶時，剛度提升至4.99倍，強度提升至驚人的9.10倍。

特別是在非主方向上，FoRoGated結構的多層交織設計優勢更加明顯，其強度遠超傳統結構。當然，這種性能的提升是以稍多的材料使用和略低的“剛度重量比”為代價的，同時也需要更多的空間來存儲柔性的編織帶。但對于許多需要極致承載能力的機器人應用來說，這無疑是一個非常值得的交換。

▍大顯身手：FoRoGated機器人的精彩應用

理論很充分，那么實際表現如何呢？研究人員打造了兩個令人印象深刻的機器人系統來展示FoRoGated結構的潛力。

應用一：緊湊型貨架作業機器人

這臺機器人的底盤大小與常見的掃地機器人相仿，非常低矮緊湊。它的核心是一個由四條鋼帶構成的FoRoGated結構，卷繞在一個半徑僅50毫米、高度僅19毫米的小輪轂中。

當需要工作時，FoRoGated結構在電機驅動下展開，形成一只最長可達1.6米的機械臂（伸展率達502%）。這只手臂不僅長，而且非常“有勁”，在完全水平伸展的狀態下，末端能夠穩穩地抓取并承載0.5公斤的重物。憑借這個能力，它能夠輕松地夠到普通貨架上的物品進行搬運，甚至還能靈巧地按下電梯按鈕，展現了在人類生活和工作空間中的廣泛適用性。

一款緊湊型移動機器人，能夠夠到并操作貨架上的物體

應用二：可展開式移動3D打印機器人

這個應用更加宏大。目標是創建一個可以移動、能夠自主展開的大型3D打印機器人。

該系統由一個四面體框架構成，這個框架的三條“棱邊”實際上就是三套大型的FoRoGated可伸縮機構。每條機構由更寬更厚的四條鋼帶制成，卷繞在半徑100毫米的輪轂上。在移動狀態下，整個框架收縮成一個高僅0.73米的三角形柱體。

米級可展開式3D打印移動機器人系統

到達預定位置后，三條機構同步展開，將框架推升到一個高3.43米的四面體結構。在這個巨型框架的頂端，安裝著一套重達12.5公斤的纜繩驅動并聯3D打印系統。這個由FoRoGated結構支撐的框架，在展開過程和展開后都異常穩固，足以支撐頂端打印系統的重量和運行。

最終，這個機器人系統成功地在框架內部，用塑料材料精確地“打印”出了一個高達2.5米的塔狀結構，重復定位精度達到了±0.6毫米。這充分證明了FoRoGated結構不僅有力，而且能提供穩定、精確的支撐，足以完成像3D打印這樣的高要求任務。

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論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adv4696