四十年前的舊專利，如今有望成為機(jī)器人的變形骨骼

1985 年，“創(chuàng)新設(shè)計(jì)基金”（Innovative Design Fund）在《科學(xué)美國(guó)人》雜志上登了一則廣告：懸賞最高 1 萬美元，征集紡織品、家居和服裝領(lǐng)域的巧妙原型。當(dāng)時(shí)，還在寶麗來（Polaroid）公司擔(dān)任電氣工程師的William Freeman 看到了這則廣告。

他交出了一份略帶“異想天開”色彩的方案：一種三面拉鏈。

它并非為了拉合衣物，而是像一種狀態(tài)開關(guān)，能讓帳篷、椅子或手提包在柔軟折疊與堅(jiān)硬挺括之間自由切換。這個(gè)設(shè)計(jì)的截面呈三角形，三條邊各有一條串著窄木齒的帶子。一個(gè)特制的滑塊沿裝置推動(dòng)時(shí)，會(huì)將三條帶子鎖緊，合攏成一根堅(jiān)固的三角柱。

可惜的是，基金最終沒有采納這個(gè)方案，但 Freeman 并未氣餒。他為原型申請(qǐng)了專利（美國(guó)專利號(hào) US 4,757,577，1988 年授權(quán)），將手工樣品收進(jìn)車庫(kù)，心想或許某天能用上。

這一收，就是將近四十年。

直到 2024 年前后，MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的研究團(tuán)隊(duì)在探索“可調(diào)剛度”材料時(shí)，從這個(gè)項(xiàng)目獲得了靈感。所謂可調(diào)剛度，是指物體能根據(jù)需求在柔軟易折與堅(jiān)硬承重之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)時(shí)的解決方案各有短板：例如充氣結(jié)構(gòu)需持續(xù)供氣，折紙機(jī)構(gòu)組裝繁瑣，顆粒堵塞依賴外接泵管，相變材料又受限于熱力學(xué)響應(yīng)速度。

Freeman 的三面拉鏈構(gòu)思雖因當(dāng)年的加工限制無法量產(chǎn)，卻恰好契合了如今 3D 打印與參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)土壤。團(tuán)隊(duì)以此為靈感，開發(fā)出名為“Y-zipper”的新型結(jié)構(gòu)與自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具。從橫截面看，三條柔軟的帶子呈 Y 字形分叉，合攏后便是一根堅(jiān)實(shí)的三棱柱。

圖 | Y-zipper（來源：MIT News）

Y 形拉鏈如何運(yùn)作？

Y-zipper 的核心機(jī)制并不復(fù)雜。它由三條柔性帶組成，各自附著一排波浪形齒，齒上集成了類似微型樂高卡扣的球節(jié)與插槽。滑塊被巧妙拆分為“匯聚器”與“分離器”兩個(gè)模塊：前者通過內(nèi)傾幾何面將滑動(dòng)推力轉(zhuǎn)化為向心的徑向力，使三排齒依次咬合；后者則利用斜面將拉力轉(zhuǎn)化為向外的分離力。

兩個(gè)模塊通過旋轉(zhuǎn)鎖扣可自由拆裝，省去了初始對(duì)齊的繁瑣。往上一推，軟條瞬間鎖成硬桿；往下一拉，硬桿又散回柔帶。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，閉合后的彎曲剛度提升了約 160 倍，原本可隨意纏繞的軟條，拉上拉鏈后便能直接作為承重構(gòu)件使用。

為了讓這項(xiàng)老構(gòu)思真正落地，團(tuán)隊(duì)基于 Rhinoceros 8 和 Grasshopper 開發(fā)了一套計(jì)算設(shè)計(jì)工具。

使用者只需從直線、彎曲、螺旋和扭轉(zhuǎn)四種基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)中挑選組合，軟件便會(huì)自動(dòng)生成齒形、柔性橋接與滑塊的幾何結(jié)構(gòu)，展開為平面排版后，即可直接交由 FDM 3D 打印機(jī)一體成型。整個(gè)過程徹底告別了手工逐齒拼裝的繁瑣，這也是它區(qū)別于此前類似研究的關(guān)鍵所在。在快速可逆、自動(dòng)驅(qū)動(dòng)與曲線定制等維度上，Y-zipper 展現(xiàn)出了高度的工程完整性。

在實(shí)際驅(qū)動(dòng)方式上，設(shè)計(jì)者提供了靈活的選項(xiàng)。

最基礎(chǔ)的是手動(dòng)推拉，適合小尺度原型或可穿戴設(shè)備；若需自動(dòng)化，可搭載一套僅重 18 克的微型驅(qū)動(dòng)模塊，內(nèi)置 N20 電機(jī)與 ESP32 微控制器，能沿拉鏈帶自主爬行，通過藍(lán)牙在 25 米外遙控，輕巧到足以安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)處；對(duì)于需要大曲率或垂直懸掛的場(chǎng)景，則可采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方案，將三組電機(jī)與彈簧固定于基座，把拉鏈帶平穩(wěn)“喂入”閉合，有效規(guī)避了未閉合部分自重帶來的卡滯問題。

圖 | Y-zipper 的三種驅(qū)動(dòng)方式（來源：論文）

當(dāng)拉鏈遇上機(jī)器人

這種按需切換軟硬的特性，迅速催生了多個(gè)極具潛力的應(yīng)用原型。

在帳篷改造實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)支撐桿替換為 1.5 米長(zhǎng)的 Y-zipper。手動(dòng)操作下，單人僅需一分多鐘即可完成搭建。若配合四個(gè)微型驅(qū)動(dòng)器并行工作，時(shí)間可壓縮至一分鐘內(nèi)，拆除時(shí)拉開拉鏈只需四十秒，硬桿瞬間恢復(fù)為可卷曲收納的軟帶，為應(yīng)急救援中的快速庇護(hù)所搭建提供了新思路。

（來源：論文）

在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，一款針對(duì)三角纖維軟骨復(fù)合體損傷的手腕支具展現(xiàn)了其人文價(jià)值。支具的三條帶中有一條直接打印在織物上，白天保持柔軟以確保關(guān)節(jié)靈活、防止肌肉萎縮，夜間或高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段單手即可拉合，瞬間轉(zhuǎn)為剛性框架提供穩(wěn)定保護(hù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)石膏無法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的缺陷。

（來源：論文）

更引人注目的是在一臺(tái)四足步行機(jī)器人的應(yīng)用。它的每條腿由一根 360 毫米長(zhǎng)的 Y-zipper 桿構(gòu)成，近端配備收卷輪與閉環(huán)編碼器驅(qū)動(dòng)器。通過協(xié)調(diào)控制，機(jī)器人能在三秒內(nèi)將身高從 60 毫米平滑調(diào)節(jié)至 245 毫米，并在伸縮過程中保持穩(wěn)定的小跑步態(tài)。縮短腿時(shí)，它能鉆過 180 毫米高的低矮縫隙；伸長(zhǎng)腿時(shí)，則可輕松跨越 160 毫米的障礙。沒有復(fù)雜的傳統(tǒng)伸縮連桿，僅憑四根“拉鏈管”的收放便實(shí)現(xiàn)了輕量化與快速響應(yīng)。

此外，團(tuán)隊(duì)還制作了一朵動(dòng)態(tài)藤蔓花：未展開時(shí)僅 12 厘米高，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)后，藤蔓向上延伸并自然彎曲，帶動(dòng)內(nèi)部釣線緩緩綻放花瓣，最終伸展至 1.3 米。這一案例不僅驗(yàn)證了 Y-zipper 在大曲率幾何下的驅(qū)動(dòng)能力，也為舞臺(tái)裝置與互動(dòng)藝術(shù)打開了想象空間。

軟與硬之間的工程邊界

不過，任何新材料走向?qū)嶋H應(yīng)用，耐久性都是繞不開的考驗(yàn)。

團(tuán)隊(duì)通過三點(diǎn)彎曲測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng) TPU 材質(zhì)的橋接厚度從 0.8 毫米增至 2.0 毫米時(shí)，最大承載可從 11 公斤提升至 18 公斤。PLA 材質(zhì)剛度更高，但在極限載荷下易發(fā)生脆性斷裂，而 TPU 則能通過較大變形緩沖壓力。一個(gè)僅重 120 克的組合結(jié)構(gòu)（九段直線加八段 90 度彎折），便能穩(wěn)穩(wěn)托起一臺(tái) 1.5 公斤的筆記本電腦，極限承重約 6 公斤。

在疲勞測(cè)試中，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器以每循環(huán) 8 秒的節(jié)奏連續(xù)開合，運(yùn)行近 40 小時(shí)、突破 18,000 次后，齒與橋接界面才出現(xiàn)斷裂。三維仿真證實(shí)，這種彈性結(jié)構(gòu)能有效分散應(yīng)力，是其高耐久性的關(guān)鍵。

當(dāng)然，論文也坦誠(chéng)了當(dāng)前的工程邊界。受限于 FDM 打印工藝與 PLA、TPU 材料的物理特性，Y-zipper 在高載荷或極端環(huán)境下的表現(xiàn)仍有提升空間。

當(dāng)拉鏈長(zhǎng)度超過 1 米時(shí)，重力導(dǎo)致的下垂問題逐漸顯現(xiàn)：?jiǎn)闻_(tái)微型電機(jī)在垂直方向最多只能閉合 1.2 米，超過此長(zhǎng)度易因自重堵轉(zhuǎn)；靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器的極限約為 1.8 米。綜合來看，目前可行的最大長(zhǎng)度在 3 米左右，再長(zhǎng)則底部橋接可能因重力斷裂。此外，打印精度仍是瓶頸，齒厚低于 1.2 毫米時(shí)卡扣易脫，功能條帶寬度若窄于 8 毫米則難以有效咬合。

圖 | 論文第一作者酈家驥（來源：個(gè)人主頁）

面對(duì)這些限制，論文第一作者、MIT CSAIL 博士后酈家驥（Jiaji Li）表示，未來將探索金屬等高強(qiáng)度材料，或轉(zhuǎn)向 SLA 等更高分辨率的打印工藝以突破尺寸限制，同時(shí)為大型工程引入多電機(jī)協(xié)同與配重機(jī)構(gòu)。他的導(dǎo)師、MIT 副教授 Stefanie Mueller 帶領(lǐng)的人機(jī)交互工程組，正致力于將這類可變結(jié)構(gòu)融入更廣泛的物理計(jì)算場(chǎng)景。

1. https://news.mit.edu/2026/three-sided-y-zipper-design-0504

2. https://sites.mit.edu/jiaji/

3. https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3772318.3790723