仿生折纸外骨骼增强软体机器人操控性能：实现高刚度与大变形的协同优化

研究人员针对软体机器人因材料杨氏模量低导致输出力不足的关键问题，受虾类外骨骼启发开发出具有柔性-刚性交替结构和机械多稳态特性的折纸外骨骼。该设计通过模块化组装实现300%的伸展比，在稳定状态下刚度提升达11倍，负载能力达自重208倍，成功集成于无人地面车辆（UGV）和无人机（UAV）系统，为需要大变形与高负载协同的机器人操控提供了创新解决方案。

　　

在机器人技术快速发展的今天，软体机器人因其超柔性机电结构展现出卓越的变形能力和运动灵活性，已在医疗护理、家庭服务和工业制造等领域显示出应用潜力。然而这类机器人面临着一个根本性矛盾：构成它们的硅橡胶和介电弹性体等软材料杨氏模量普遍低于1 GPa，导致难以产生足够的输出力进行有效操控。特别是在需要同时实现伸展和弯曲变形的软体机械臂中，这种低刚度特性严重限制了其负载能力，使得搬运、抓取等需要承受重量的任务成为技术瓶颈。

为突破这一限制，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，从自然界虾类外骨骼获得灵感。虾的外骨骼由交替排列的刚性节段（富含钙质）和柔性节段（几丁质和胶原蛋白）构成，这种独特的结构使其既能提供保护又能保持运动灵活性。研究团队据此设计出仿生折纸外骨骼模块，每个模块包含两端的刚性铝框架和四组薄钢柔性面板。通过精确控制面板几何参数（如长面板L₁=25mm，短面板L₂=20mm，厚度t=0.3mm），实现了类似生物外骨骼的柔性-刚性耦合特性。

关键技术方法包括：(1)基于椭圆积分的力学建模分析模块的力-位移关系；(2)采用多体动力学方法进行数值模拟；(3)激光切割和铰链组装工艺制造折纸外骨骼；(4)气动肌肉与线缆驱动系统的混合控制策略；(5)集成到UGV和UAV平台进行应用验证。研究样本包括3-6个模块组成的测试结构，通过MTS试验机进行力学性能测试。

【设计及分析折纸模块】研究显示单个模块具有六个稳定构型，包括完全展开、完全折叠和四个间隔90°的弯曲状态。力学测试表明，模块在完全折叠状态可承受6.24kg载荷，弯曲状态达1.65kg，负载能力分别为自重的208倍和55倍。通过引入层出扭转（LET）关节设计，进一步将弯曲负载能力提升23%至2.03kg。

【折纸外骨骼性能】由三个模块组成的折纸外骨骼展现出216种可能稳定状态，展开长度156mm与折叠长度41mm的压缩比超过3:1，最大弯曲角度达100.4°。数值模拟揭示了特征性的锯齿形力-位移曲线，验证了多稳态特性。与气动肌肉集成后，展开状态的抗压负载从23.1N提升至80.0N，增强效果达3.5倍。

【外骨骼增强机械臂】600mm长的增强机械臂实现了3:1的伸展比，刚度测试显示：在折叠状态刚度提升9倍（12.64N vs 1.41N@30mm位移）；展开状态保持4倍刚度（4.07N vs 0.98N）；弯曲状态刚度提升11倍（24.92N vs 2.33N）。混合控制策略使末端定位误差控制在2.1mm以内，成功完成8.3kg汽车轮胎的抓取任务。

【应用验证】在UGV集成的机械臂实现了700mm高度的水果抓取（相当于车高的7倍），无人机平台搭载的1.7m长机械臂则展示了2kg水果篮运输、气球爆破以及抽屉开启等复杂操作。飞行数据表明系统在±6°的姿态偏差下仍能稳定工作。

这项研究通过仿生折纸外骨骼的创新设计，成功解决了软体机器人刚度与变形能力的固有矛盾。其多稳态特性不仅降低了执行器的精度要求，还减少了维持目标构型所需的持续输出力。从制造角度看，平面到管状结构的转换方案便于与现有软体执行器集成。未来通过引入形态板结构优化设计，这种外骨骼增强技术有望在车载配送、无人机作业乃至在轨操作等领域发挥更大价值。该成果为需要同时满足大变形和高负载的机器人应用开辟了新途径，特别是在非结构化环境作业方面展现出独特优势。