《Biomimetics》：Fold and Zip: A Highly Stiff Rollable Arm with Cross-Sectional Shape Change
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本研究提出了一种基于形状转变的可展开臂（deployable boom），该结构将紧凑收纳与展开后增强的弯曲刚度（flexural stiffness）相结合。该结构由三根商用带簧（tape springs）通过柔性带连接而成。在收纳状态下，带簧保持柔性的开放
本研究提出了一种基于形状转变的可展开臂（deployable boom），该结构将紧凑收纳与展开后增强的弯曲刚度（flexural stiffness）相结合。该结构由三根商用带簧（tape springs）通过柔性带连接而成。在收纳状态下，带簧保持柔性的开放截面（open cross-section）并卷绕于紧凑的载具（carrier）内。在展开过程中，带簧通过被动式转变通道（passive transition passage），截面连续转变为三角形闭合形状。互锁单元（interlocking unit）无需单独的主动锁定机构即可维持展开后的几何构型。对U形、N形、O形及所提出的Δ形试样进行了三点弯曲试验（three-point bending tests）。Δ形结构的平均弯曲刚度约为20.55 N/mm，分别约为U形、N形和O形试样的14.4倍、5.4倍和3.9倍。利用可重复展开和收拢的样机进行了悬臂加载试验（cantilever loading tests），记录了选定展开长度和端部载荷下的端部挠度响应。结果表明，在本样机中，截面形状转变能够提供紧凑的收纳构型并在展开后提高实测弯曲刚度。
**研究背景与问题**
可展开结构能够在需要时从紧凑收纳状态转变为功能性承载构型，这在发射体积和质量严重受限的空间系统及轻量化工程应用中具有重要价值。现有可展开结构形式多样，包括充气式臂杆、折纸启发结构、双稳态预应力壳以及高应变复合材料结构等。带簧（tape springs）作为薄壁弯曲条带，可通过弹性应变能实现折叠收纳与展开恢复，已被应用于多种可展开结构。然而，传统单根或开放截面带簧臂杆的抗弯能力和截面抗畸变能力有限，其力学响应强烈依赖于截面几何形状、曲率方向、加载方向及展开约束。现有的复合材料臂杆研究虽通过材料剪裁和层合板设计提升了结构性能，但通常需要专门设计的复合材料构件。本研究则采用商用卷尺带簧，通过在展开过程中改变其截面排列方式来提升结构性能，这与现有方法存在本质区别。在可展开机器人操纵器领域，已有研究通过专门机构实现紧凑收纳与高展开性能，但这些系统依赖于专门制造的折纸图案、链式模块、弹射机构或交错条带。本研究提出一种基于形状转变的可展开臂，利用商用带簧的截面重配置来实现收纳与展开状态的力学性能切换。
**研究内容与结论**
研究人员提出了一种由三根商用带簧通过柔性带连接而成的形状转变可展开臂。收纳状态下，构件保持柔性开放截面并卷绕于紧凑载具内；展开时，被动式转变通道逐渐将三根构件重新排列为三角形闭合截面，随后互锁单元无需单独主动锁定执行器即可维持展开几何构型。研究的主要贡献在于展开诱导的截面形状转变，而非仅在于三角形截面本身。通过三点弯曲试验比较了U形、N形、O形和所提出的三角形试样的弯曲刚度，并通过可重复展开收拢的样机在不同展开长度和端部载荷下进行了悬臂加载试验。结果表明，所提出的三角形结构平均弯曲刚度约为20.55 N/mm，分别约为U形、N形和O形试样的14.4倍、5.4倍和3.9倍。样机试验记录了选定展开长度和端部载荷下的端部挠度响应。研究意义在于：截面形状转变可为可展开系统提供紧凑收纳构型，并在展开后提高实测弯曲刚度，为需要紧凑收纳和展开后增强弯曲刚度的可展开系统提供了实验参考。
**关键技术方法**
研究人员开展了两种实验。第一为三点弯曲试验（three-point bending test），在试样层面定量比较不同截面形状的弯曲刚度，试样长度300 mm，支撑跨距150 mm，采用QMESYS万能试验机配备5 kgf载荷传感器，位移控制加载速度300 mm/min，每种构型重复测量5次。第二为悬臂加载试验（cantilever loading test），评估物理样机作为可展开臂的承载能力，固定样机一端，展开至规定长度，在自由端施加100、200、300 g端部质量，测量端部挠度，每种条件重复5次。样机采用KOMELON KMC-31L商用卷尺（标称带长5.5 m，带宽19 mm），完全卷绕外径约84 mm，卷轴直径35 mm，可用展开长度约2000 mm。
**研究结果**
4.1 弯曲刚度比较：通过三点弯曲试验获得U形、N形、O形和Δ形结构的载荷-位移曲线。弯曲刚度通过载荷-位移曲线近似恒定斜率区间的线性回归计算，U形、N形和O形试样采用0.10–1.00 mm区间，Δ形试样采用2.10–3.20 mm区间。五次测试的平均R2值分别为0.9675、0.9998、0.9414和0.9964。所提出的Δ形表现出最高弯曲刚度，平均值约20.55 N/mm，分别为U形（1.42 N/mm）、N形（3.80 N/mm）和O形（5.27 N/mm）的约14.4倍、5.4倍和3.9倍。尽管O形和Δ形均为闭合截面结构，但两者刚度存在显著差异，表明仅靠闭合截面形成不能完全解释刚度增强，截面的几何构型对结构响应有强烈影响。U形和N形虽由相同带簧形成但刚度不同，表明曲率方向直接影响弯曲响应。U形刚度最低，适合作为需要高柔性的基本收纳构型。
4.2 悬臂加载试验：通过样机悬臂加载试验获得不同端部质量和展开长度下的端部挠度原始数据。对于三种端部质量（100 g、200 g、300 g），端部挠度随展开长度非线性增加，重复测量在每种加载条件下表现相似趋势。在给定展开长度下，端部挠度随端部质量增加而增大。例如，在展开长度800 mm处，100 g、200 g和300 g端部质量下的平均端部挠度分别约为21.4 mm、34.6 mm和49.2 mm。挠度增加与施加端部质量并非严格成比例，表明存在超出理想恒定刚度悬臂响应的结构效应，包括臂杆自重、互锁和边界条件的影响。总体而言，观察到的刚度差异反映了截面几何、带簧构件数量和互锁约束的综合效应，本实验未单独分离各因素的贡献。
**讨论与结论**
本研究提出了一种由三根带簧组成的形状转变可展开臂。该结构在收纳时保持开放截面以实现紧凑收纳，在展开过程中通过形状转变形成三角形闭合截面以实现高结构刚度。三点弯曲试验结果表明，Δ形平均弯曲刚度为20.55 N/mm，分别约为U形、N形和O形的14.4倍、5.4倍和3.9倍，证实了即使使用相同的卷尺带簧材料，截面几何和结构约束也能产生显著的结构性能差异。关键贡献在于形状转变机制而非三角形截面本身。实验表明，收纳和展开状态的截面构型产生了不同的实测刚度响应。本样机采用被动式形状转变和互锁布置，无需单独主动锁定装置。研究结果为需要紧凑收纳和展开后增强弯曲刚度的可展开系统提供了实验参考。未来工作将包括对截面惯性矩的理论分析和有限元分析以研究刚度机制，以及转变长度和展开力的系统研究、循环展开收拢耐久性、扭转和离轴加载测试以及更大展开长度下的比较研究。
