麻省理工学院研发Y形拉链：一键实现软硬状态切换

一个被搁置近40年的发明构想，如今终于借助现代技术重焕生机。

1985年，创新设计基金在《科学美国人》杂志刊登广告，面向公众征集服装、家居和纺织品领域的创意原型，奖金最高达1万美元。时任宝丽来电气工程师、现任麻省理工学院教授的威廉·弗里曼（William Freeman）看到广告后，提交了一个独特的想法：一种三边拉链。这种拉链并非用于固定裤子，而是像开关一样，让椅子、帐篷和手提包在柔软与坚硬两种状态之间无缝切换，从而更便于收纳和组装。

弗里曼的设计方案与普通拉链相似，但呈三角形结构：三侧各有一条带子，将细小的"齿"连接在一起，滑动件沿装置移动时可将三条带子锁定成三角管状。尽管方案最终未获批准，弗里曼仍为其申请了专利，并将原型存放在车库，期待有朝一日能派上用场。

近40年后，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究人员决定重启这一项目，致力于开发具备"可调刚度"特性的物品。此前的相关尝试要么无法轻松复原，要么需要手动组装。为此，CSAIL团队开发了一套自动化设计工具和可适配的紧固装置，命名为"Y形拉链"。该软件程序帮助用户自定义三边拉链的结构，然后通过3D打印机以塑料材料自动制造。这些装置可附加或嵌入露营设备、医疗器械、机器人和艺术装置中，使组装过程更加便捷。

麻省理工学院博士后、CSAIL研究员李嘉骥表示："普通拉链非常适合封合夹克等扁平物品，但弗里曼设想了一种更具动态特性的装置。借助当前的制造技术，他的机械结构可以改变形态更复杂的物品。我们开发了一套流程，能够制造出可在柔软与坚硬之间快速切换的物品，并且可以确保它们在现实场景中正常运作。"李嘉骥是发表该项目的开放获取论文的第一作者。

为何选择拉链？

用户可以在CSAIL的软件程序中自定义拉链合拢后的形态，可选择每条带子的长度以及弯曲的方向和角度，还可从四种运动"基元"中选择拉链合拢后的形状：直线形、弯曲形（类似拱形）、螺旋形（类似弹簧）或扭转形（类似螺丝）。

由此得到的Y形拉链在现实中呈现出"变形"效果：展开时形似触须四散的乌贼，合拢后则变成更紧凑的结构（例如棒状）。这种灵活性在旅行时尤为实用。以搭建帐篷为例，通常需要耗时约六分钟，而借助Y形拉链，只需一分二十秒即可完成——只需将每条臂连接到帐篷的一侧，从顶部支撑结构，拉链便能将顶篷弹出定型。

这种无缝切换能力还能拓展可穿戴设备的应用场景，尤其在医疗领域颇具价值。研究团队将Y形拉链缠绕于腕部固定夹板，患者白天可松开，夜间合拢以防止伤势加重，使看似坚硬的设备变得更加舒适，能根据患者需求进行调节。

该系统还能帮助用户制造按下按钮即可运动的装置。制造完成后，可为Y形拉链附加电机以实现自动化开合，进而构建自适应四足机器人。该机器人有望改变腿部尺寸，收紧时变为更高的肢体，展开时降低重心，最终有助于机器人在峡谷或森林等崎岖地形中探索。通过电机驱动的Y形拉链，还可制作动态艺术装置——研究团队就创作了一朵蜿蜒的长花，借助静态电机驱动拉链合拢，实现了"绽放"效果。

材料性能的突破

尽管研究团队看到了Y形拉链的创意潜力，其耐久性仍是一个待解的问题：它能否承受日常使用的磨损？

为此，研究团队进行了一系列压力测试。首先，他们评估了聚乳酸（PLA）和热塑性聚氨酯（TPU）这两种3D打印常用塑料的强度与柔韧性。通过反复弯折Y形拉链的测试发现，PLA能承受较重的载荷，TPU则更具延展性。

另一项实验中，CSAIL研究人员使用执行器持续开合Y形拉链，以测试其断裂所需的循环次数。结果显示，拉链在约18,000次开合循环后才最终断裂。3D模拟揭示了Y形拉链耐久性的奥秘：其弹性结构能有效分散重载荷带来的应力。

尽管取得了上述成果，李嘉骥仍希望未来能使用金属等更坚固的材料制造三边拉链。此外，他们也考虑将拉链做得更大以适应更大规模的项目，但受限于现有3D打印平台，这一目标暂时还无法实现。

李嘉骥还指出，仍有一些应用场景有待探索，例如太空探索——可将Y形拉链的触臂内置于航天器，用于抓取附近的岩石样本。同样，该拉链还可嵌入可快速组装的结构中，帮助救援人员在自然灾害和救援行动中迅速搭建避难所或医疗帐篷。

浙江大学助理教授王冠云（未参与该论文）评价道："将日常拉链重新构想以应对三维形态转变，是一种极具创意的动态组装思路。更重要的是，它有效弥合了软硬状态之间的鸿沟，提供了一种高度可扩展的创新制造方法，将极大推动具身智能的未来设计。"

论文的合著者包括：天津大学博士生常翔、麻省理工学院CSAIL博士生马克西恩·佩罗尼-沙夫（Maxine Perroni-Scharf）、本科生曹定宁、访问研究员李明明（浙江大学）、杰里米·姆日格洛茨基（慕尼黑工业大学）和山本拓海（庆应义塾大学），以及麻省理工学院副教授、CSAIL首席研究员兼论文通讯作者斯蒂芬妮·穆勒（Stefanie Mueller）。研究得到了浙江大学博士后研究奖学金及麻省理工学院-光州科技院（MIT-GIST）项目的部分资助。

该研究于今年4月在美国计算机协会计算机-人机交互（CHI）大会上正式发表。

Q&A

Q1：Y形拉链和普通拉链有什么区别？

A：普通拉链是二维的，主要用于封合夹克等扁平物品。Y形拉链是三边结构，呈三角形，合拢后可将物体从柔软状态转变为坚硬状态，适用于帐篷、医疗夹板、机器人等需要在软硬之间快速切换的场景，使用更加灵活，适用范围也更广。

Q2：Y形拉链的耐久性怎么样？能用多久？

A：研究团队通过压力测试发现，Y形拉链在约18,000次开合循环后才最终断裂，说明其具备较高的耐久性。其弹性结构能有效分散重载荷带来的应力。目前使用的是PLA和TPU两种塑料材料，未来团队计划探索金属等更坚固的材料以进一步提升耐久性。

Q3：Y形拉链未来有哪些应用方向？

A：除了露营装备、医疗器械和机器人，研究人员还设想了更多应用场景，包括太空探索（内置于航天器用于抓取岩石样本）、灾害救援（帮助快速搭建避难所或医疗帐篷）以及动态艺术装置。未来随着材料升级和3D打印平台的改进，Y形拉链的应用潜力有望进一步扩大。