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四十年前的旧专利,如今有望成为机器人的变形骨骼

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1985 年,“创新设计基金”(Innovative Design Fund)在《科学美国人》杂志上登了一则广告:悬赏最高 1 万美元,征集纺织品、家居和服装领域的巧妙原型。当时,还在宝丽来(Polaroid)公司担任电气工程师的William Freeman 看到了这则广告。

他交出了一份略带“异想天开”色彩的方案:一种三面拉链。

它并非为了拉合衣物,而是像一种状态开关,能让帐篷、椅子或手提包在柔软折叠与坚硬挺括之间自由切换。这个设计的截面呈三角形,三条边各有一条串着窄木齿的带子。一个特制的滑块沿装置推动时,会将三条带子锁紧,合拢成一根坚固的三角柱。

可惜的是,基金最终没有采纳这个方案,但 Freeman 并未气馁。他为原型申请了专利(美国专利号 US 4,757,577,1988 年授权),将手工样品收进车库,心想或许某天能用上。

这一收,就是将近四十年。

直到 2024 年前后,MIT 计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究团队在探索“可调刚度”材料时,从这个项目获得了灵感。所谓可调刚度,是指物体能根据需求在柔软易折与坚硬承重之间动态转换。当时的解决方案各有短板:例如充气结构需持续供气,折纸机构组装繁琐,颗粒堵塞依赖外接泵管,相变材料又受限于热力学响应速度。

Freeman 的三面拉链构思虽因当年的加工限制无法量产,却恰好契合了如今 3D 打印与参数化设计的技术土壤。团队以此为灵感,开发出名为“Y-zipper”的新型结构与自动化设计工具。从横截面看,三条柔软的带子呈 Y 字形分叉,合拢后便是一根坚实的三棱柱。


图 | Y-zipper(来源:MIT News)

Y 形拉链如何运作?

Y-zipper 的核心机制并不复杂。它由三条柔性带组成,各自附着一排波浪形齿,齿上集成了类似微型乐高卡扣的球节与插槽。滑块被巧妙拆分为“汇聚器”与“分离器”两个模块:前者通过内倾几何面将滑动推力转化为向心的径向力,使三排齿依次咬合;后者则利用斜面将拉力转化为向外的分离力。

两个模块通过旋转锁扣可自由拆装,省去了初始对齐的繁琐。往上一推,软条瞬间锁成硬杆;往下一拉,硬杆又散回柔带。实测数据显示,闭合后的弯曲刚度提升了约 160 倍,原本可随意缠绕的软条,拉上拉链后便能直接作为承重构件使用。



为了让这项老构思真正落地,团队基于 Rhinoceros 8 和 Grasshopper 开发了一套计算设计工具。

使用者只需从直线、弯曲、螺旋和扭转四种基本运动形态中挑选组合,软件便会自动生成齿形、柔性桥接与滑块的几何结构,展开为平面排版后,即可直接交由 FDM 3D 打印机一体成型。整个过程彻底告别了手工逐齿拼装的繁琐,这也是它区别于此前类似研究的关键所在。在快速可逆、自动驱动与曲线定制等维度上,Y-zipper 展现出了高度的工程完整性。

在实际驱动方式上,设计者提供了灵活的选项。

最基础的是手动推拉,适合小尺度原型或可穿戴设备;若需自动化,可搭载一套仅重 18 克的微型驱动模块,内置 N20 电机与 ESP32 微控制器,能沿拉链带自主爬行,通过蓝牙在 25 米外遥控,轻巧到足以安装在机器人关节处;对于需要大曲率或垂直悬挂的场景,则可采用静态驱动方案,将三组电机与弹簧固定于基座,把拉链带平稳“喂入”闭合,有效规避了未闭合部分自重带来的卡滞问题。


图 | Y-zipper 的三种驱动方式(来源:论文)

当拉链遇上机器人

这种按需切换软硬的特性,迅速催生了多个极具潜力的应用原型。

在帐篷改造实验中,团队将传统支撑杆替换为 1.5 米长的 Y-zipper。手动操作下,单人仅需一分多钟即可完成搭建。若配合四个微型驱动器并行工作,时间可压缩至一分钟内,拆除时拉开拉链只需四十秒,硬杆瞬间恢复为可卷曲收纳的软带,为应急救援中的快速庇护所搭建提供了新思路。


(来源:论文)

在医疗康复领域,一款针对三角纤维软骨复合体损伤的手腕支具展现了其人文价值。支具的三条带中有一条直接打印在织物上,白天保持柔软以确保关节灵活、防止肌肉萎缩,夜间或高风险时段单手即可拉合,瞬间转为刚性框架提供稳定保护,弥补了传统石膏无法动态调节的缺陷。


(来源:论文)

更引人注目的是在一台四足步行机器人的应用。它的每条腿由一根 360 毫米长的 Y-zipper 杆构成,近端配备收卷轮与闭环编码器驱动器。通过协调控制,机器人能在三秒内将身高从 60 毫米平滑调节至 245 毫米,并在伸缩过程中保持稳定的小跑步态。缩短腿时,它能钻过 180 毫米高的低矮缝隙;伸长腿时,则可轻松跨越 160 毫米的障碍。没有复杂的传统伸缩连杆,仅凭四根“拉链管”的收放便实现了轻量化与快速响应。

此外,团队还制作了一朵动态藤蔓花:未展开时仅 12 厘米高,驱动器启动后,藤蔓向上延伸并自然弯曲,带动内部钓线缓缓绽放花瓣,最终伸展至 1.3 米。这一案例不仅验证了 Y-zipper 在大曲率几何下的驱动能力,也为舞台装置与互动艺术打开了想象空间。

软与硬之间的工程边界

不过,任何新材料走向实际应用,耐久性都是绕不开的考验。

团队通过三点弯曲测试发现,当 TPU 材质的桥接厚度从 0.8 毫米增至 2.0 毫米时,最大承载可从 11 公斤提升至 18 公斤。PLA 材质刚度更高,但在极限载荷下易发生脆性断裂,而 TPU 则能通过较大变形缓冲压力。一个仅重 120 克的组合结构(九段直线加八段 90 度弯折),便能稳稳托起一台 1.5 公斤的笔记本电脑,极限承重约 6 公斤。

在疲劳测试中,动态驱动器以每循环 8 秒的节奏连续开合,运行近 40 小时、突破 18,000 次后,齿与桥接界面才出现断裂。三维仿真证实,这种弹性结构能有效分散应力,是其高耐久性的关键。

当然,论文也坦诚了当前的工程边界。受限于 FDM 打印工艺与 PLA、TPU 材料的物理特性,Y-zipper 在高载荷或极端环境下的表现仍有提升空间。

当拉链长度超过 1 米时,重力导致的下垂问题逐渐显现:单台微型电机在垂直方向最多只能闭合 1.2 米,超过此长度易因自重堵转;静态驱动器的极限约为 1.8 米。综合来看,目前可行的最大长度在 3 米左右,再长则底部桥接可能因重力断裂。此外,打印精度仍是瓶颈,齿厚低于 1.2 毫米时卡扣易脱,功能条带宽度若窄于 8 毫米则难以有效咬合。


图 | 论文第一作者郦家骥(来源:个人主页)

面对这些限制,论文第一作者、MIT CSAIL 博士后郦家骥(Jiaji Li)表示,未来将探索金属等高强度材料,或转向 SLA 等更高分辨率的打印工艺以突破尺寸限制,同时为大型工程引入多电机协同与配重机构。他的导师、MIT 副教授 Stefanie Mueller 带领的人机交互工程组,正致力于将这类可变结构融入更广泛的物理计算场景。

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

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