为软体机器人穿上“铠甲”！中国团队造出刚柔并济的机械外骨骼

想象一下，机器臂能像章鱼触手一样灵活缠绕，又能瞬间变得如钢铁般坚硬，稳稳提起重物。这看似是软体机器人领域一个遥不可及的梦想。而现在，这一愿景正逐渐照进现实。

来自军事科学院国防科技创新研究院的软体机器人外骨骼文章登上《Science Advances》杂志封面

如今软体机器人是机器人领域一个迅速发展的分支，其核心特点在于利用柔性材料构建机器人的主体和执行机构，使之能够实现连续、大范围的形变运动。但是，一个致命的“软肋”长期阻碍着它们走出实验室。材料柔软带来更好的顺应性和安全性，却也导致其结构刚度低、输出力有限，难以完成诸如重物抓取、大力操控等任务。为了让它“硬起来”，研究人员们尝试了种种方案：可变刚度材料、颗粒阻塞、液器压力锁紧……但它们往往在刚度变化范围、响应速度或系统复杂性上存在局限。

正是在这一技术背景下，来自中国军事科学院国防科技创新研究院的研究团队从自然界的虾蛄等生物中获得灵感，这些生物的外骨骼精巧地融合了刚性与柔性区域，使其在保持身体灵活的同时又足够坚固以承受巨大的冲击力。仿照这种“刚性-柔性耦合”的设计原理，他们成功开发出一种基。

近日，该成果以Origami exoskeletons for enhanced soft robotic manipulation为题发表于国际顶级期刊《Science Advances》上。

▍折纸外骨骼的设计理念与结构特点

该折纸外骨骼的核心创新在于其精巧的单元模块设计。每个模块由两端的刚性框架和连接它们的四对柔性薄钢面板构成。面板采用特殊的梯形几何设计，并两两配对，通过精密布置的铰链分别与上下框架连接。这种非对称的长度设计（例如长板25毫米，短板20毫米）是产生双稳态行为的关键力学原因：它在受压时倾向于折叠，在受拉时倾向于展开，并且两个极限位置都是稳定的平衡状态。

从力学角度看，这种结构表现出高度各向异性的刚度特性。在面内方向（即沿面板方向），结构具有很高的拉伸/压缩刚度，能够有效抵抗外部载荷；而在面外方向，则通过弯曲铰链和薄板结构实现较低的弯曲刚度，允许发生大变形。这意味着，当外载荷沿设计方向作用时，模块表现出极高的刚性；而当需要变形时，只需一个较小的驱动力即可触发结构快速跳转到另一个稳定形态。这种“稳定状态下高刚度，切换过程中大变形”的特性，完美契合了软体机器人对负载和变形能力的双重需求。

更进一步地，通过将多个这样的模块轴向串联，可以构建一个多稳态的折纸外骨骼系统。一个三模块的组合体就能够理论实现高达216种（6³）不同的稳定构型，包括不同的伸展长度、弯曲角度及其组合。这种丰富的可重构状态为机器人带来了前所未有的形态适应性和功能多样性，而其稳定状态一旦达成，无需持续能量输入即可维持，这极大地降低了系统的控制复杂性和能耗。

▍从单元到系统：机械性能与集成验证

为了全面评估该折纸模块的力学性能，研究团队结合了理论分析、数值仿真和物理实验三种手段。他们首先建立了基于理论的力学模型，分析了模块在折叠和展开过程中的受力状态、能量变化和临界失稳条件。随后，通过有限元仿真精确模拟了结构的非线性大变形行为。最后，利用试验机（MTS）对加工的实物样件进行了重复性加载-卸载测试。

实验结果令人印象深刻：单个模块在完全折叠状态下可承受高达6.24 kg的轴向压力，而其自身质量仅30克，承载重量比达到208:1。即使在弯曲状态下，其负载能力也达到了1.65 kg（自重比的55:1）。为了进一步提升性能，研究团队还创新性地将层板扭转（LET）接头集成到梯形面板的设计中。LET接头的引入有效疏导了弯曲变形时的应力集中，降低了应变能积累，从而将弯曲状态下的负载能力又提升了23%，达到2.03 kg。这充分证明了该设计在材料力学层面上的可优化性和巨大潜力。

验证了单元性能后，关键在于如何将其与软体执行器有效集成。研究团队提出通过折纸外骨骼在软体臂外部卷曲包覆，在保持本征柔顺性前提下实现结构刚度与承载能力提升的调控方案。

这种方式特别体现了“非侵入式”的集成理念，即折纸外骨骼作为增强套件，无需改变原有软体执行器的内部设计和驱动方式。实验数据表明，加装外骨骼后，气动执行器在抗压、抗拉和抗侧向载荷方面的能力提升了数倍不等。例如，一个在65 kPa气压下单独工作时仅能提供23.1 N抗压力的气囊，在穿上“折甲骨”后，抗压力显著增加至80.0 N。这不仅证明了其显著的增强效果，也展现了其良好的兼容性与工程实用性。

▍迈向实际应用：从地面车辆到空中无人平台的示范

理论的优越性和实验室的测试数据，最终需要通过现实世界的应用示范来证明其价值。研究团队进行了两大类的集成应用验证：一是将外骨骼增强机械臂搭载于无人地面车辆（UGV），二是将其安装于无人机（UAV）平台，并执行了一系列具有挑战性的任务。

在UGV测试中，一条总长600毫米、重3.09公斤的机械臂被安装在平台上。它成功地演示了在复杂地形（如模拟的深坑和狭窄通道）中导航，并利用其末端的夹爪，在超过700毫米的高度（相当于UGV自身高度的7倍）精准抓取并运送水果。这个过程充分展示了机械臂结合了大行程伸展、多向弯曲能力和足够支撑刚度的综合优势，使UGV从一个移动平台进化为一个具备远程精细操作能力的移动工作站。

无人机平台的演示则更为震撼。研究人员在JT-10无人机平台上搭载了一条伸展全长可达1.7米、总重4.15公斤（其中结构件1.65公斤，机电系统2.5公斤）的增强型机械臂。为了平衡重量和性能，驱动缆绳采用了非均匀的布置策略。在飞行测试中，该无人机系统完成了精准穿刺作业和重物搬运等一系列高难度任务。

其中最精彩的演示是机械臂依次执行“飞近抽屉-抓握把手-拉开抽屉-收缩臂体-取回抽屉内目标物体（一盆盆景）”这一连串动作。这个任务要求机械臂在伸展、弯曲、抓握时具备不同的刚度特性，并在动作间快速切换，折纸外骨骼提供的多稳态刚度变化在其中起到了至关重要的作用。在整个飞行操作过程中，无人机的姿态偏差被控制在±6°以内，证明了整个系统具有良好的稳定性，机械臂的运动并未对无人机平台的飞行控制造成不可接受的干扰，表现出其在未来空中柔性操控系统的实际应用的极大潜力。

▍结语与未来

这项研究成功地通过仿生折纸结构的设计，为解决软体机器人的“刚度-变形”矛盾提供了一个极具创新性且工程可行的解决方案。它不再拘泥于改变材料本身，而是通过一种巧妙的、可主动变形的机械超结构，从系统层面赋予软体机器人“刚柔并济”的能力。多稳态折纸外骨骼使软体执行器在稳定状态下获得极高的刚度以抵抗变形、提供大力，而在需要时又能通过低能量输入触发大范围、快速的形态改变。这种特性同时降低了对执行器精度和持续能耗的要求，具有很高的实用价值。