破解机器人的“小型化魔咒”?“折纸”骨架给出完美答案:更小、更强、更高效

破解机器人的“小型化魔咒”?“折纸”骨架给出完美答案:更小、更强、更高效

爱力方

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2025年11月30日 19:16
本文共计1714个字,预计阅读时长6分钟。
来源/互联网 责编/爱力方

机器人的世界里,一场深刻的、旨在解决那个长期以来,一直困扰着所有工程师的“伸缩难题”的范式革命,正由一篇登上了《Science Robotics》的、极具想象力的研究成果,悍然引爆。

这项由韩国首尔大学的研究团队,所带来的突破,其灵感,并非来自于任何一种新的合金材料,或是一套更复杂的控制算法。

它,源自于两种,我们早已习以为常的、古老的东方智慧——折纸(Origami)编织(Weaving)

其最终的产物,是一种被命名为“FoRoGated”的、全新的、可折叠、可卷曲的交错式结构。

而它所能实现的效果,堪称“魔幻”:

一台,在收缩状态下,高度仅有0.73米的、紧凑的三角柱体机器人,能够在到达目标位置后,瞬间,同步地,展开其三条“棱边”,撑起一个高达3.43米的、坚固的四面体框架。

而在这个框架的顶端,它,能够稳稳地,承载住一套重达12.5公斤的3D打印系统,并精准地,打印出一个高达2.5米的塔状结构。

这场“伸缩革命”的起点,是那个,在机器人技术领域,长期存在的、一个根本性的、看似无法调和的矛盾:

如何,让一个机器人的可伸缩机构,既能“装得下”(即,拥有极致的、紧凑的存储体积),又能“扛得住”(即,拥有强大的、可承载重物的刚度与强度)?

传统的解决方案,大多采用“卷尺”式的“卷绕式设计”。但这种设计,存在着一个致命的、物理上的缺陷:

当多层的、刚性的薄片,被卷绕在一个轮毂上时,其内外层之间,会因为周长的差异,而产生巨大的应力,从而,导致内层的屈曲和变形。

这就意味着,想要更高的刚度(更多的层数),就必须牺牲其紧凑性(更大的轮毂);而想要更紧凑的存储,就只能妥协其承载能力(更少的层数)。

可存储管状伸缩构件

而首尔大学团队的“FoRoGated”结构,其天才之处,就在于它,通过将“折纸”与“编织”的原理,进行精妙地,结合,从而,完美地,解决了这个“约束与滑动”的矛盾。

  1. 它,借鉴了“折纸”的“刚度”:

    • 整个结构,由多条平行的、刚性的“条带”所构成。这些条带,像折纸中的“面”一样,相互支撑,从而,具备了极高的承载能力。

  2. 它,借鉴了“编织”的“柔性”:

    • 这些刚性的“条带”,并非被简单地,粘合在一起。它们,是通过柔性的“带状”材料,像编织篮子一样,被交错地,连接在了一起。

FoRoGated结构的概念和制造方法的示意图

这种独特的“编织”方式,在条带之间,形成了一种“既约束、又可滑动”的、神奇的连接。

  • 在折叠时, 条带,可以像滚动的关节一样,灵活地,折叠。

  • 在卷绕时, 条带,则可以在柔性丝带所形成的间隙中,平滑地,滑动,从而,完美地,抵消了内外层之间的周长差异。

这种设计的最终结果,是一种在性能上,对传统结构,实现了“降维打击”式的、碾压性的优势。

在与业界最优秀的、传统的TRAC臂,进行同等轮毂尺寸下的对比时:

  • 一个仅有六条条带的FoRoGated结构,其弯曲刚度,是TRAC臂的4.99倍

  • 而其临界承载力矩(即,强度),更是达到了TRAC臂的、惊人的9.10倍

一款紧凑型移动机器人,能够够到并操作货架上的物体

爱力方的分析认为,这项源自“折纸”与“编织”灵感的、登上了《Science Robotics》的研究,其意义,已远超一次简单的结构创新。

它更像是一次深刻的、极具哲学意味的“范式提醒”。

它提醒我们,在通往更高级的、更强大的机器人形态的这条道路上,最优雅的、最高效的解决方案,或许,并不总是,隐藏在更复杂的电子系统和更庞大的计算资源之中。

有时候,它,就静静地,躺在那些最朴素的、最古老的、我们早已习以为常的传统智慧和自然物理原理之中,等待着我们,去重新地,发现、理解和应用。

当一个,底盘大小,与扫地机器人相仿的、紧凑的移动机器人,能够,在瞬间,伸出一只长达1.6米的、并且能够在末端,承载0.5公斤重物的机械臂时;

当一个,可以被轻松地,装进火箭货舱的、紧凑的机器人,能够在到达外星球后,自主地,展开一个巨大的、足以支撑起一套完整的3D打印系统的、坚固的框架时。

一场真正意义上的、关于机器人的“形态自由”的革命,才算真正地,拉开了序幕。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adv4696

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