《Advanced Intelligent Systems》：Crease-Encoded Soft Origami Chambers: A Unified Design-to-Fabrication Framework for Low-Pressure Pneumatic Joints
编辑推荐：
软体气动驱动长期以来因其柔顺性和安全性而受到重视，但其对真空操作或高正压的依赖限制了实际应用。本研究引入基于折纸的气动腔室，该腔室在低正压下工作，同时保持整体式柔软性。通过将运动直接编码于折痕几何，研究人员获得了紧凑的关节——棱柱型、枢轴型和螺旋型——它们无需
软体气动驱动长期以来因其柔顺性和安全性而受到重视，但其对真空操作或高正压的依赖限制了实际应用。本研究引入基于折纸的气动腔室，该腔室在低正压下工作，同时保持整体式柔软性。通过将运动直接编码于折痕几何，研究人员获得了紧凑的关节——棱柱型、枢轴型和螺旋型——它们无需刚性增强或复杂装配步骤即可产生大范围、定向的变形。通过几何建模、有限元仿真和实验表征，研究人员证明致动过程表现为两个不同阶段：一是几何主导阶段，折痕运动学控制响应直至展开完成；随后是材料驱动阶段，由超弹性膜拉伸主导。在低于15 kPa的压力下，三种关节分别实现了高达268%的轴向拉伸、72°弯曲和55°扭转。这些结果确立了基于折纸的腔室作为安全、高效且易于制造的软体连接机构的通用途径，适用于优先采用低压驱动的领域。
研究背景、问题与意义
软体气动驱动因柔顺性和安全性而在与不确定或脆弱环境交互的任务中广受重视，但传统软体气动执行器通常依赖真空或高正压运行，需要笨重的外部压缩机，限制了便携性与集成度。折纸结构可以将运动直接编码于折痕几何，但已有折纸气动执行器大多仍需要负压折叠或复杂的多步装配，难以同时兼顾制造简便、大应变响应和运动模式多样。为填补这一空白，研究人员提出了基于折纸的整体式软体气动腔室，在低于15 kPa的低正压下工作，无需刚性限制层或复杂装配即可实现棱柱型、枢轴型和螺旋型三种紧凑关节。论文发表在《Advanced Intelligent Systems》上。研究通过几何建模、有限元仿真（FEA）和实验表征证明：致动过程分为几何主导与材料驱动两个阶段；三种关节在几何主导阶段分别达到216±12%轴向拉伸、61±2°弯曲和56±1°扭转，峰值分别达到268±25%、72±5°和55±3°。这些结果确立了折纸腔室作为低压驱动软体关节的一种安全、高效且易制造的通用设计路线，特别适用于低正压驱动优先、机载能源有限的场景。
关键技术方法
研究人员采用了以下主要方法：第一，建立与折纸图案无关的面片（facet）级几何模型，将面片角α
i、β
i、边长l
i和基圆直径d映射为轴向拉伸、弯曲和扭转设计指标，用于选择最优折痕参数。第二，发展整体式注射成型工艺，将完全折叠状态的折纸图案转化为硅胶腔室，仅需腔室封闭和接口粘接。第三，基于Ansys Workbench进行静态结构有限元分析（FEA），采用三阶Yeoh超弹性本构模型模拟材料行为。第四，开展自由体加压运动、推力、刚度和1000次循环疲劳实验，采用DeepLabCut追踪运动标记点，并用光学字符识别读取压力。每种设计共制备5个样本，剔除2个明显离群值后保留3个一致性样本（n=3），结果以均值±标准差表示。
研究结果
3.1 运动学响应与模型对比
对于棱柱关节，几何模型预测轴向拉伸为244%；实验显示在约6和11 kPa处存在两个拐点，第一阶段轴向拉伸快速达到184.0±9.0%，随后以较慢速率增至216.0±12.0%，在11 kPa时展开完成，之后进入膜拉伸阶段，15 kPa时峰值达到268.0±25.0%轴向拉伸和137.0±18.0%径向拉伸。FEA在展开阶段高估轴向拉伸约8%，几何模型高估12.9%。对于枢轴关节，非对称面片（60°/30°）产生弯曲，实验在约6 kPa前快速达到61.0±2.0°，随后缓慢增至72.0±5.0°，径向拉伸始终未明显超过100%，因此未观察到气球化起始；FEA在第一阶段高估弯曲至68°，而几何模型低估13%。对于螺旋关节，零厚度几何模型预测扭转89.3°，实验在约5和11 kPa处出现两个拐点，最终扭转稳定在55.0±1.0°、轴向拉伸182.0±25.0%；几何模型高估扭转62.3%和轴向拉伸34.6%，而考虑壁厚的FEA在12 kPa时与实验高度一致，说明有限厚度是螺旋关节预测偏差的主要来源。
3.2 阶段转变与力学响应
FEA应力分布显示，低压时应力集中在填充角部和山形折痕附近；随压力升高，应力沿加厚的山形折痕集中；气球化起始后，应力在膜表面分布更均匀，标志着膜拉伸主导阶段开始。棱柱关节的压力-力灵敏度从第一阶段的0.19±0.05 N/kPa升至气球化起始时的0.42±0.08 N/kPa，随后回落至约0.30±0.07 N/kPa；轴向刚度在0.08–0.11 N/mm基础上升至0.2±0.04 N/mm，压缩刚度最高可达0.30–0.35 N/mm。螺旋关节在几何主导阶段灵敏度约0.25±0.04 N/kPa，气球化附近峰值0.40±0.14 N/kPa，随后降至约0.28 N/kPa；其拉伸刚度下降，压缩刚度上升。枢轴关节在整个测试范围内未出现明显拐点，灵敏度从约0.11 N/kPa逐渐增至约0.2 N/kPa，刚度保持在0.1±0.15 N/mm附近。这些结果证实了折痕几何决定运动类型、气球化起始定义两阶段边界的机制。
3.3 折痕与疲劳
1000次循环疲劳测试中，三种关节均未出现失效或泄漏。棱柱关节峰位漂移+2.2%，振幅变化仅?0.1%，相位曲线高度重合。螺旋关节在200次循环附近出现暂时性振幅上升，最终振幅漂移+1.4%，相位曲线一致。枢轴关节振幅漂移?0.3%，但循环间变异性较大，位移曲线表现出两阶段充气轮廓和持续振荡，这与弯曲驱动的悬臂结构受力不对称有关。结果表明折痕完整性在重复加载下保持稳定，观察到的位置漂移主要由硅胶材料软化引起，而非结构退化。
讨论与结论
讨论部分指出，该研究实现的性能可与现有折纸气动执行器相当，但工作压力更低：棱柱关节在+15 kPa下达到268%伸长，而对比文献多在+20至+30 kPa下实现约250%；螺旋关节在正压下实现55°扭转，避免了同类设计所需的?35至?100 kPa真空条件。整体式成型可在一天内完成，且消除了应变限制界面这一疲劳集中位置。制造约束方面，最小谷形折痕宽度需达到0.6 mm以避免成型缺陷，该厚度限制是螺旋关节几何模型高估变形的主要原因；几何模型仍可作为运动类型选择和设计空间探索的快速设计指南，FEA则提供定量修正。未来工作将把有限厚度和材料效应纳入统一模型，并扩展至多腔室组合与动态性能研究。
研究结论可概括为：研究人员提出了整体式折纸启发气动腔室，在低于15 kPa的低正压下实现可编程运动学，适用于机载能量受限的无线或深度集成场景。三种关节分别实现268%轴向拉伸、72°弯曲和55°扭转，运动直接由折痕几何编码。所有设计均经历两个依次出现的阶段，以约11 kPa的气球化起始为分界：低于该压力时，变形由折纸运动学主导，运动可预测，压力-力灵敏度几乎恒定（0.19–0.31 N/kPa）；高于该压力后，过渡到膜主导行为，以效率降低和刚度增加为代价提供额外行程。几何主导阶段的低且近似恒定刚度（0.08–0.30 N/mm）适合柔顺交互，而较硬的膜主导阶段（约0.35–0.41 N/mm）可用于需要承重的场景。几何模型提供了由面片角直接规定运动模式的设计框架；整体式成型支持快速、可重复的制造；1000次循环疲劳测试确认折痕完整性保持，位置漂移归因于材料松弛而非结构退化。
