同一套模块设计，拼出了三副完全不同的机器人身体。

第一副，伸进飞机机翼。

第二副，在90°弯管里蠕动。

第三副，成了一只会敲鸡蛋的软体手。

这三件怎么看都不搭边的事，背后用的却是同一套“力学积木”：一个用于肌腱驱动连续体机器人模块化设计库

这套设计库名为CRAFT，它由多伦多大学机器人研究所连续体机器人实验室提出，包含6类基于柔性铰链的3D打印模块。

相关论文《CRAFT: A 3D-printed Modular Design Library for Task-specific Continuum Robots》于日前登机器人权威期刊《npj Robotics》。

CRAFT想解决的问题很直接：机器人换个任务，身体能不能别再推倒重来？

01.

换个任务，为什么总要重做一副机器人身体？

连续体机器人，长得不像常见的机械臂。它没有一节节明显的刚性关节，整段身体可以连续弯曲。看起来像蛇、象鼻，也像一根能自己拐弯的软管。

这让它很适合钻缝。人体内部、飞机机翼、发动机、地下管道，空间越狭窄、路径越曲折，它的优势越明显。

但软，也有软的麻烦，撑不住。机器人越长，自重造成的下垂越严重；末端再挂上摄像头或工具，定位和控制还会更难。

过去，研究人员主要有两种办法。

一种，是给机器人加入磁锁、热致材料、气动堵塞等变刚度机构。需要弯曲时放软，需要承重时变硬。刚度是调上去了，高电压、高温、气路和附加机构，也可能一起跟着进来。

另一种办法更直接，那就是重新设计身体。改骨架，改铰链，改腱绳路径，再重新打印、装配和测试。效果可以针对任务做到很细，代价也很清楚。任务一换，往往又要重来。

CRAFT走了另一条路，它先把几种常用的力学特性做成标准模块，需要什么性能，再按任务组合。它做的是任务前的机械重构。先换模块，调顺序，再获得新的刚度和形态。

02.

6类模块，6种“身体性格”

CRAFT目前有“6名成员”：低刚度、中刚度、高刚度、定向刚度、单向刚度，以及可伸缩模块。

前三类比较直观。

低刚度模块最软，适合大角度弯曲、通过狭窄转角；中刚度模块稍硬一些，在柔性和传力之间找平衡；高刚度模块则适合放在机器人根部，专门对抗重力和较大的弯矩。

后面三类，玩法更多。

定向刚度模块，在不同方向上的抗弯能力不同。机器人朝一个方向可以灵活弯曲，换个方向，就明显更难被压弯。

单向刚度模块更极端。它在X方向的等效抗弯刚度为0.0057 N/m²，在Y方向达到0.061 N/m²，相差超过10倍。

效果有点像卷尺。沿一个方向容易弯，换个方向则明显更难弯。

同时，它的等效轴向刚度EA达到1150.19 N，是6类模块中最高的。也就是说，这种模块沿轴向更难被拉伸或压缩。

最后一个可伸缩模块，则完全换了一种脾气。它内部使用平行弹簧，等效抗弯刚度只有0.00078 N·m²，轴向刚度EA为6.80 N。

它不擅长撑住，擅长的是伸缩。一拉一缩，正好可以拿来模仿尺蠖爬行。

6类模块，内部结构不同，外部接口却保持兼容。

模块之间通过端盘和铆钉连接，腱绳从端盘边缘的弧形槽中穿过。相邻端盘合上后，槽口会形成封闭的腱道。更换其中一节时，不必把整根腱绳全部抽出，只需要处理待替换位置附近的一小段。

研究称，模块可以在数分钟内完成替换和重排。

这里需要注意的是，真正被重新排列的，不只是零件，还有机器人身体不同位置的柔软程度、传力能力和弯曲方向。

03.

一套模块，拼出三副完全不同的身体

为了验证CRAFT不只适用于某一种机器人，团队用同一套模块设计，搭建了三套形态和任务完全不同的系统。

第一副身体，伸进飞机机翼。

这是一条长816毫米的腱驱连续体机器人，用于检查机翼内部的翼肋和翼梁。原始配置中，中段采用中刚度模块，末端采用低刚度模块。机器人水平伸出后，中段和末端在自重下总共下垂约55毫米。

团队没有更换驱动单元，也没有修改根部、腱路和控制接口，只将中段换成单向刚度模块，将末端换成定向刚度模块。其中，末端模块的尺寸经过参数化调整，以兼顾抗重力能力和弯曲范围。

在驱动腱张力为零的条件下，机器人下垂量由约55毫米降至33毫米，减少约41%。检查范围也由此前的机翼第3个内部区段，进一步延伸至第4个区段。

第二副身体，用来钻管道。

团队将可伸缩模块与较硬的传力模块组合起来，让机器人以类似尺蠖的方式收缩、伸展。

实验管道内径50毫米、全长826毫米，包含直管、90°弯管和30°斜坡，机器人全部通过。

在一次代表性实验中，它在直管中的平均速度约为1.2毫米/秒；进入90°弯管后，速度约为1.0毫米/秒；爬上30°斜坡时，降至0.53毫米/秒。

不算快。但它没有使用主动形状控制。而是保持身体柔顺，顺着管道被动转弯。论文将其定位为概念验证，尚未系统评估爬行效率与稳定性。

第三副身体，负责敲鸡蛋。

团队将模块缩小到直径22毫米，用单向刚度结构制成四根弯曲手指，再配上一根能够上下平移的中央手指，组成一只五指软体手。

四根侧指先柔顺地包住生鸡蛋，中央手指再向下施加冲击。这样的结构既能避免抓取时提前捏碎鸡蛋，又能沿轴向传递敲壳所需的力。

在13次连续实验中，软体手成功敲裂12枚鸡蛋，其中11次完成开壳和蛋液分离，完整任务成功率为84.6%。

探机翼，需要抗弯；钻管道，需要伸缩；敲鸡蛋，既要柔顺，又要传递冲击力。它都做到了！

要知道，这并不是同一台机器人在三种形态之间连续“变身”。三套系统的驱动方式并不相同，它们复用的是CRAFT的模块设计、接口原则和制造方法，并根据任务缩放和重新组合。

04.

单个模块，打印材料费不到4元

CRAFT的另一个吸引力来自3D打印。

论文中的常规模块主要采用FDM工艺，端盘和圆环使用PLA，承担反复形变的柔性结构使用抗冲击性更好的聚碳酸酯材料。6类模块的打印时间在1小时至1小时42分钟之间。

按照团队采用的加拿大零售耗材价格计算，单个模块的打印材料成本为0.44至0.68加元，约合人民币2.1至3.3元。最贵的高刚度模块，材料费也只有3元多。

当然，这只是材料费。打印设备、人工装配、设备折旧和整套驱动系统，都没有被计算进去。

但低材料成本仍然意味着，试错可以更快。性能不合适，换一种。顺序不满意，重新排。需要调整尺寸，再打印一版。

论文还展示了直径10毫米至40毫米的不同尺寸样件。尺寸较大的模块由FDM打印后装配，更小的版本可以通过SLA工艺一次成形。

不过，缩小几何尺寸不代表性能原样复制。材料、打印工艺和尺寸发生变化后，绝对刚度仍需重新测试。

05.

能拼，不代表已经“万能”

CRAFT很像乐高，但它还不是一盒随心所欲的万能积木。

首先，库里目前只有6类预设模块。

它们覆盖了几个差异明显的刚度区间，却还不能满足任意力学需求。用户暂时不能输入一个目标刚度，让系统自动生成最合适的模块。想要介于两类模块之间的性能，仍需要人工调整柔性结构的厚度、宽度和长度。

其次，论文中的刚度数据全部来自单样本测试。没有多批次重复实验，也没有误差棒。

因此，表格中的数值更适合用来比较“哪个更软、哪个更硬”，还不能直接当成精密工程设计常数。

材料、尺寸、打印方向和制造设备一换，绝对数值都需要重新标定，耐久性也需要继续补课。

团队只对低刚度模块进行了1万次弯曲循环测试。实验过程中，最大作用力逐渐下降；测试结束后，柔性铰链区域出现了多处裂纹。

论文明确将三套机器人定位为概念验证样机。它们证明了这套模块库能够跨越探伤、移动和操作三类任务，却并不代表已经是各自场景中的最优产品。

所以，CRAFT没有让连续体机器人一夜之间变成“变形金刚”。它真正改变的，是造机器人的方式。

过去，面对一个新任务，研究人员先设计一台新机器人。现在，可以先打开模块库，这里要软一点，那里得硬一点，中间再加一段能伸缩的结构，像搭积木一样，把机器人的机械性能一块块拼出来。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44182-026-00107-x