不用模具，不用3D打印，机器人开始像衣服一样“裁”出来了｜Science Advances

“软体机器人，开始从“造零件”走向“裁材料”。

一把剪刀、一把电烙铁，再加一个订书机，就能开始“搭”机器人？

近日，权威期刊《Science Advances》发表了一项来自美国密歇根大学的研究：FaBrick，一种可驱动织物搭建平台。

它看上去像一张布，内部却排列着大量可以充气的气囊单元。根据裁剪、热封、折叠和钉合方式不同，同一张材料可以实现收缩、弯曲、扭转、旋转和刚化五种运动。团队进一步用它做出了机器人袖套、单片式夹爪、仿象鼻机械臂，甚至一台能够行走的四足软体机器人。

但这篇论文真正有意思的地方，还不是“用布造机器人”。

过去做软体机器人，很大程度上是在“造执行器”。想弯曲是一套结构，想收缩换一套结构，想扭转可能又要重新选材料、设计几何形状、做模具。

FaBrick想做的，是把这些东西提前塞进一卷标准材料里。以后设计软体机器人，或许不用每次从执行器开始造，而是先从一卷“会动的布”上裁。

01.

一卷布，为什么能做出五种动作？

FaBrick的底层结构其实并不复杂。

它由两层TPU涂层织物组成，中间被加工出规则排列的气囊。每一个气囊都可以理解成一个微型的“气动肌肉”：充气之后向外鼓起，平面长度随之缩短，从而产生运动和力。

这些气囊按行列排列，相邻单元之间还有气道连通，因此一个进气口就可以给整片材料充气。研究人员再通过热封关闭部分气道，就能决定“哪一块动、哪一块不动”。

FaBrick 的设计和制造

真正改变运动方式的，是后面的加工。

最直接的是收缩。把一块FaBrick封好、充气，内部气囊鼓起，整块材料就会变短。

如果把它裁成平行四边形，再缠绕到圆柱结构上，气囊原本的直线收缩就会变成切向运动，形成扭转。把一排气囊像手风琴一样折叠并固定在同一个转轴上，气囊充气后互相挤压，又可以产生旋转。

弯曲更直接。研究人员用普通订书钉，把可充气层固定到一层不能自由伸展的FaBrick上。气囊鼓起时，两侧变形程度不同，整块材料便会向一侧弯曲，改变订书钉之间的距离，还能调整弯曲方向和曲率。

最后一种是刚化。把FaBrick卷起来，再通过外部结构限制径向膨胀，充气之后，原本柔软的织物就能临时变成承重结构。

使用 FaBrick 可以实现不同的驱动运动

论文测试了直径26—36毫米的六种结构。在207 kPa压力下，当结构发生20毫米挠度时，峰值阻力达到25.7—45.0 N；没有加压时只有3-4 N，刚度提高约7-15倍。

于是，同样一张材料，经过不同的“剪、封、折、钉”，就被改造成了完全不同的执行器。这也是FaBrick和普通柔性材料最大的区别：运动能力不是一次性写死在零件里，而是可以在材料上重新配置。

FaBrick 能够通过简单的图案化步骤制造所有主要类型的软致动器。（A）收缩致动器：密封片材的特定区域（黄色和橙色），并设置独立的入口，即可实现独立控制的收缩。（B）加强结构：将片材沿宽度方向紧密卷绕，并添加限制径向膨胀的外部环，即可形成气动加强元件。（C）扭转致动器：将片材切割成平行四边形，然后密封并断开各列，并将其缠绕在圆柱体上，即可将每列的线性收缩转换为扭转运动。（D）旋转致动器：将矩形片材折叠成手风琴形状，并在枢轴处用订书钉固定，形成类似波纹管的铰链，充气后可产生旋转输出。（E）弯曲致动器：创建交替的折叠段，并将充气层以预定间距用订书钉固定到应变限制层上，即可产生可控的弯曲行为。

02.

从专用执行器，到统一材料平台

如果FaBrick只是一块能充气变形的布，这件事其实没有那么新。

软体机器人领域早已有PneuNets、McKibben人工肌肉、FREEs以及各种袋式气动执行器。FaBrick真正往前走的一步，是试图把过去分散的制造方法，收进同一种材料、同一套生产工艺里。

为了做到这一点，团队专门设计了一套图案化加热辊压工艺。

两卷TPU涂层织物同时进入辊压设备，上方是一根带凸起图案的金属辊。织物经过时，只有凸起区域在热量和压力作用下熔合，直接形成密封边界和气囊结构，内部气道则被保留下来。

论文使用的辊筒温度为150—160℃，转速约10 rpm。现有设备的材料宽度受335毫米辊筒限制，但长度可以连续延伸。换句话说，这套方案更接近纺织或卷材加工，而不是传统软体执行器常见的“一套模具做一批零件”。

这带来了一个很关键的变化。如果想让执行器行程更长，就在同一卷材料上多取几行气囊；如果想增加力，就多并联几列。

实验中，一个8×1气囊阵列的实际收缩率约为27.1%，团队提出的枕形模型预测为27.4%，而传统圆柱模型预测达到30.6%。

研究人员进一步比较了单列和双列结构，双列执行器产生的力接近单列的两倍，说明输出可以通过增加并联单元比较规律地放大。

这也是FaBrick另一个容易被忽略的地方：它不只是“能剪”。研究团队还建立了一套模型，根据气囊几何形状和内部压力，预测收缩力、扭矩、角位移和弯曲曲率。

也就是说，理论上设计人员不必先剪一块试试，再不断改尺寸，而是可以反过来计算：我要多大的力？需要几列气囊；我要多大的行程？应该裁多长；我要旋转多少角度？要叠多少层。

一旦这种关系足够稳定，一卷材料才真正有可能从“半成品”变成一种可编程的机器人基础材料。

03.

一张布，已经拼出了四种机器人

为了证明FaBrick不是只能在实验台上鼓几个气囊，团队又用它搭了四套完整系统。

第一套是可穿戴机器人袖套。

收缩执行器模拟肱二头肌，帮助前臂抬起；收缩和旋转结构共同辅助肩部运动；两个方向相反的扭转执行器，则对应手腕的旋前和旋后。

第二套是单片式软体夹爪。

研究人员直接在一张FaBrick上划分出收缩区和弯曲区：收缩层负责把手指张开，弯曲层负责向内闭合。最后整张材料围成一个圆柱，不需要额外设计复杂的刚性关节，就能抓取不同形状和重量的物体。

第三套更像一条象鼻机械臂。

三个可以独立充气的FaBrick驱动柱并排排列，通过控制不同柱子的压力，机械臂就能向不同方向摆动和弯曲。末端再装上FaBrick夹爪，并加入扭转结构负责调整抓取方向。

最后，团队甚至做了一台四足机器人。

FaBrick的刚化结构负责支撑重量，收缩执行器负责控制腿向前或向后摆动，再通过两组对角腿交替运动，让机器人完成连续前进。

这四套系统的性能目前谈不上取代成熟机器人。但它们证明了一件更重要的事情——可穿戴、抓取、操作和移动，过去往往需要分别开发不同执行器，现在至少可以从同一卷材料开始。

04.

打造真正的“机器人乐高”，还差几步？

当然，一卷FaBrick距离真正的“机器人乐高”还很远。

首先是气。FaBrick内部大量气囊共享气道。气道越窄，充放气阻力越大；材料折叠、弯曲之后，还可能出现局部扭结。距离进气口较远的气囊，也可能比近端充气更慢。

与此同时，共享气路也意味着单元之间并非完全独立。某些气囊受到外力挤压时，内部空气可能流向相邻单元，引起耦合。研究团队目前只能监测入口压力，还无法实时知道每一个气囊内部到底发生了什么。

其次，通用性和极限性能之间依然存在取舍。论文也明确承认，针对某一种动作专门优化的执行器，性能完全可能超过FaBrick。比如PneuNets可以围绕弯曲性能重新设计完整几何结构，FREEs则可以针对扭转优化纤维角度。

现在，FaBrick仍是研究原型。制造宽度受设备限制，气路存在耦合和滞后，几套机器人演示也主要依靠实验搭建和调整，并非直接由解析模型设计完成。

它离“开箱即用”的机器人乐高，还有一段不短的距离。

05.

未来与结语

FaBrick 的价值，并不在于把某一个指标做到最高。它更重要的尝试，是用同一种材料和制造方式，覆盖更多运动形式和尺寸需求。

需要更长行程，可以增加串联单元；需要更大输出，可以增加并联列数。相比为不同执行器重新做模具或制造设备，它试图把更多设计变化留在“怎么裁、怎么封、怎么组合”上。

论文强调，由于同一卷材料可以做成多种执行器，并直接组装成系统，它特别适合资源有限或环境快速变化的任务，例如野外机器人、野外医疗、太空任务和教育环境。这些地方往往没有模具、专用设备或大型制造工具。用户不需要制造专业知识，只要会用剪刀、订书机和电烙铁，就能探索、打样和迭代软体机器人设计。

换句话说，FaBrick 降低的不只是制造成本，还有参与门槛。它让软体机器人从“少数实验室能做的定制器件”，变成更多人可以尝试的材料平台，从而推动研究、教育和应用领域的创新。

过去，材料只是制造执行器的原料；FaBrick则试图让“驱动”本身成为材料的一种能力。如果这条路线继续发展，未来这样的机器人材料还可能进一步集成传感、电驱动甚至控制网络。

到那时，需要重新定义的，或许就不只是一块“会动的布”，而是材料和机器之间的边界。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg1614