一台高仅0.73米的紧凑三角柱体机器人，抵达目标位置后，三条伸缩机构同步展开，瞬间撑起高3.43米的四面体框架；框架顶端承载着12.5公斤的3D打印系统，稳稳打印出高达2.5米的塔状结构...
 

据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿，这个宛如“变形金刚”的场景,正是来自《Science Robotics》上发表一项突破性的成果——折叠卷绕式波纹（FoRoGated）结构。

▍机器人的“伸缩难题”：既要“装得下”，又要“扛得住”

在机器人技术快速发展的今天，许多应用场景都要求机器人能够“伸缩自如”。

比如，仓储机器人需要在狭窄通道灵活移动，又要够到高处货架；救援机器人要能钻进狭小缝隙，再展开机械臂清理障碍；甚至太空探索机器人，必须在火箭舱内紧凑收纳，抵达目标后再展开大型设备。

这些需求背后，隐藏着一个核心矛盾：如何让机器人的可伸缩机构既能“装得下”（紧凑存储），又能“扛得住”（高承载、抗弯曲）？

传统的可伸缩机构主要采用“卷绕式设计”。

就像卷尺一样，将结构展平后卷绕在轮毂上存储，展开后形成波纹状结构来保证刚度。比如常见的可存储管状伸缩构件（STEM），能展平成单层薄片卷绕；三角形可伸缩折叠（TRAC）臂则由两层带状弹簧组成，展平后卷绕存储。这些设计确实实现了紧凑存储，但存在难以克服的缺陷：
 

可存储管状伸缩构件

一方面，层数越多，抗弯能力越强，但卷绕时内外层周长差会导致内层屈曲，限制实际可用层数，例如TRAC臂最多只能做到两层，这就导致其承载能力天花板很低。

另一方面，传统结构的刚度和存储尺寸高度绑定。比如TRAC臂的刚度是STEM的30倍，但需要的轮毂半径是STEM的7.6倍，这意味着，想要高刚度，就必须牺牲紧凑性；想要紧凑存储，就只能妥协承载能力。

那么，有没有一种设计，既能像多层结构一样提供高强度和刚度，又能像滑动结构一样实现平滑、紧凑的卷绕，同时还具备良好的可扩展性呢？

答案是肯定的。近日，来自首尔大学的研究团队从折纸技艺中获得了灵感，开发出了折叠卷绕式波纹（FoRoGated）结构，一种既可折叠又可卷曲的交错结构。

▍折纸+编织：FoRoGated结构的创新解法

折纸，这门用纸折叠出各种形状的技艺，背后蕴含着深刻的几何和力学原理。折纸结构中的“折痕”就像是一系列密集排列的、共享同一轴线的“旋转关节”，而连接折痕的“面”则是相对刚性的部分。

这些关节能让相邻的刚性面片紧密约束、相互支撑，从而具备意想不到的承载能力——一张普通的A4纸，折叠成瓦楞状后，能轻松承受几倍于自身重量的物体。

FoRoGated结构借鉴了这一原理：通过密集的平行约束，让相邻条带紧密连接，避免局部变形。但与传统折纸不同的是，它需要解决多层卷绕时的周长差异问题——如果只是刚性连接，多层卷绕时的滑动会导致结构撕裂；如果连接太松，又会失去约束作用，无法保证刚度。
 

FoRoGated结构的概念和制造方法的示意图

为了解决约束与滑动的矛盾，研究团队想到了“编织”的思路。

在FoRoGated结构中，多条平行的刚性“条带”并不是简单地粘合在一起，而是通过柔性的“带状”材料像编织一样交错地连接在一起。这种编织方式在条带之间形成了大量平行且重复的连接点，这些连接点无需胶水粘合，却能实现“折叠”与“滑动”的完美解耦：

折叠时，条带像滚动的关节一样，通过丝带的弯曲实现灵活折叠，不会产生卡顿；

卷绕时，条带能在丝带形成的间隙中平滑滑动，内层和外层的周长差异被滑动抵消，不会出现挤压变形。

这种设计的妙处在于，无论卷绕时的滑动量有多大，条带之间的密集约束始终保持——就像编织的篮子，藤条之间既能相对移动，又能相互支撑，整体结构依然稳固。

拥有了FoRoGated这一核心结构后，还需一套驱动和控制系统来实现其从“蜷缩”到“伸展”的形态转换。这套可伸缩机构在空间上可分为三个区域：结构紧密卷绕在轮毂上的存储区；结构从扁平形态过渡为坚固波纹形态的形状过渡区；以及结构完全展开并向外延伸的伸展区。

可伸缩机构的结构和驱动示意图

为实现这一平滑变形，系统中设置了两类关键组件。成型组件如同模具，引导结构在过渡区的起点和终点完成形态转换；而分布在伸展区的形状保持单元，则通过内部的特定狭缝将结构“锁定”在波纹形态，有效防止其在负载下塌陷。整个驱动机制非常简洁，通常仅需一个电机驱动轮毂正反转，配合以被动方式（如细绳）连接的形状保持单元，即可高效完成伸展与回收，无需复杂控制系统。

▍性能如何？理论与实验的验证

为了评估FoRoGated结构的力学性能，研究人员建立了简化的理论模型和计算机仿真模型，并与实物实验进行了对比。

分析表明，FoRoGated结构的性能具有高度的可扩展性和方向性。

FoRoGated-Structure的FEM和叠加法简化模型

可扩展性：结构的弯曲刚度和临界承载弯矩（即开始失效前的最大力矩）随着条带数量的增加而近似线性增长。这意味着，只需增加条带数量，就能显著提升机构的“力量”。

方向性：结构在不同方向上的刚度和强度有所不同。例如，沿着波纹方向（+X方向）通常是最强的。但随着条带数量的增加，各个方向上的强度会变得更加均衡，使其能适应更复杂的受力情况。

与传统优秀的可卷曲结构（如TRAC臂）在相同轮毂尺寸下进行比较时，FoRoGated结构展现出了巨大优势：

一个双条带的FoRoGated结构，其主方向弯曲刚度是TRAC臂的1.55倍，而临界弯矩（强度）更是达到了TRAC臂的3倍以上；当使用四条带时，刚度提升至3.27倍，强度提升至6.07倍；使用六条带时，刚度提升至4.99倍，强度提升至惊人的9.10倍。

特别是在非主方向上，FoRoGated结构的多层交织设计优势更加明显，其强度远超传统结构。当然，这种性能的提升是以稍多的材料使用和略低的“刚度重量比”为代价的，同时也需要更多的空间来存储柔性的编织带。但对于许多需要极致承载能力的机器人应用来说，这无疑是一个非常值得的交换。

▍大显身手：FoRoGated机器人的精彩应用

理论很充分，那么实际表现如何呢？研究人员打造了两个令人印象深刻的机器人系统来展示FoRoGated结构的潜力。

应用一：紧凑型货架作业机器人

这台机器人的底盘大小与常见的扫地机器人相仿，非常低矮紧凑。它的核心是一个由四条钢带构成的FoRoGated结构，卷绕在一个半径仅50毫米、高度仅19毫米的小轮毂中。

当需要工作时，FoRoGated结构在电机驱动下展开，形成一只最长可达1.6米的机械臂（伸展率达502%）。这只手臂不仅长，而且非常“有劲”，在完全水平伸展的状态下，末端能够稳稳地抓取并承载0.5公斤的重物。凭借这个能力，它能够轻松地够到普通货架上的物品进行搬运，甚至还能灵巧地按下电梯按钮，展现了在人类生活和工作空间中的广泛适用性。

一款紧凑型移动机器人，能够够到并操作货架上的物体

应用二：可展开式移动3D打印机器人

这个应用更加宏大。目标是创建一个可以移动、能够自主展开的大型3D打印机器人。

该系统由一个四面体框架构成，这个框架的三条“棱边”实际上就是三套大型的FoRoGated可伸缩机构。每条机构由更宽更厚的四条钢带制成，卷绕在半径100毫米的轮毂上。在移动状态下，整个框架收缩成一个高仅0.73米的三角形柱体。

米级可展开式3D打印移动机器人系统

到达预定位置后，三条机构同步展开，将框架推升到一个高3.43米的四面体结构。在这个巨型框架的顶端，安装着一套重达12.5公斤的缆绳驱动并联3D打印系统。这个由FoRoGated结构支撑的框架，在展开过程和展开后都异常稳固，足以支撑顶端打印系统的重量和运行。

最终，这个机器人系统成功地在框架内部，用塑料材料精确地“打印”出了一个高达2.5米的塔状结构，重复定位精度达到了±0.6毫米。这充分证明了FoRoGated结构不仅有力，而且能提供稳定、精确的支撑，足以完成像3D打印这样的高要求任务。

▍关于X-robot

X-robot是中关村机器人产业创新中心与机器人大讲堂联手打造的权威性信息发布品牌专栏，集前沿探索、产业研究、知识普及于一体，致力于积极推动新质生产力的生成与发展，助力我国乃至全球机器人行业的蓬勃繁荣。X-robot立足国际化视野，通过全方位、多角度的挖掘与追踪，生动展现机器人前沿技术与尖端成果，为学术界、产业界及公众提供一个洞见未来、共享科技的重要窗口。