兩千萬種變形！斯坦福團隊用彈性彎桿，造出會思考的機器人骨架

六根普通PLA材質的塑料桿，兩個3D打印出來的框架。沒有任何電機，沒有一枚芯片，甚至不需要換一個螺絲，但它卻能在兩千萬種不同的形態之間自由切換。每一種形態，都對應著完全不同的力學性能：硬的時候像根鐵柱，軟的時候像條橡皮筋。而切換方式，只是用手扭一下。

這不是概念圖，也不是動畫模擬。2026年5月6日，斯坦福大學趙芮可教授團隊在國際權威期刊（Science Advances）上發表了這項新成果。他們提出了一個名為“彈性桿折紙”（Elastic Rod Origami，簡稱RodOri）的平臺，用幾根預彎曲的彈性桿，構建出了一個擁有海量穩定狀態、可編程調控的超材料系統。

在可重構材料這個領域，研究者們一直在追趕兩個目標：更多的穩定形態，和更自由的調控能力。而RodOri的出現，同時刷新了兩項紀錄。它用一個出乎意料簡單的結構，為軟體機器人、自適應裝備和可編程超材料，推開了一扇新的大門。

01.

一根“憋著勁”的彎桿，為萬變之源

要理解RodOri的魔力，首先要認識它的基本單元，一根被稱為“哈欽森桿”的預彎曲彈性桿。

它的構造邏輯出奇地簡單：取一根天生彎曲的細長桿，強行拉直，然后把兩端死死固定住。就這么一個“強迫平直”的操作，讓它積聚了巨大的彈性勢能。

當沿著軸向壓縮這根“憋著勁”的桿時，它不會像普通柱子那樣簡單彎折。壓縮到臨界點的那一刻，桿體會猛地躍出平面，完成一次干脆利落的突跳屈曲，瞬間彈入一個三維螺旋狀的穩定構型。而且，卸掉外力后，它還會自動跳回原狀。

什么決定了這根桿是“老實扭曲”還是“猛烈突跳”？答案是它的自然曲率和截面形狀。論文通過大量實驗和理論建模，畫出了一張清晰的行為地圖。

當自然曲率足夠大時，突跳必然發生；反之，桿只會輕微扭轉。更有趣的是，桿在突跳之后并不是一團軟泥，它仍然保持著彈性剛度，而且這個剛度的強弱，可以通過設計桿的曲率來精確調控。這意味著，從最基礎的元件開始，RodOri就已經擁有了可編程的基因。

要知道，這對于需要在大幅度運動中保持可控柔性的軟體機器人來說，是相當實用的特性。

02.

11個穩定態，解鎖近兩千萬種組合

如果說一根桿展現的是材料的聰明，那么多根桿的組合，則展現了系統的智慧。

把兩根哈欽森桿首尾相連，讓它們內部的力矩互相抵消，就形成了一個“雙桿”結構。這個結構天然擁有兩個穩定狀態：伸直態和環形態。再對兩端施加彎矩，還能解鎖第三個穩定態。這種內在的多穩態，讓雙桿成為了絕佳的建筑單元。

順著這個思路，團隊用六根桿和一個剛性框架，構建了RodOri的基本單元。當對這個單元施加扭轉時，它會在特定的角度穩穩停住。論文顯示，對于桿長30厘米、曲率合適的設計，從0°旋轉到540°的過程中，這個單元一共能停在11個離散構型上，其中有8個是完全獨立的力學穩態。

這就帶來了指數級的可能性。如果把多個這樣的單元堆疊起來，或者排列成一個平面陣列，每個單元都可以獨立選擇自己的構型。一個由7個單元組成的小型陣列，就能產生近兩千萬種全局形態。

對于機器人設計者來說，這意味著什么？意味著你可以用同一個骨架結構，通過純機械的方式，實現對不同部位力學特性的獨立編程。研究團隊還特別指出，如果混合使用不同曲率的單元進行異構組裝，這個設計空間還會被進一步擴展。

03.

扭一扭，剛度就變了

所有這些構型變化，都不是花架子，它們直接等同于功能切換。

團隊把單個六桿單元鎖在不同的扭轉構型上，然后測量它的軸向拉伸剛度。結果讓人印象深刻。

60°構型的剛度約為9.4牛/米，而120°構型的剛度約2.8牛/米，同樣的結構，剛度差了超過三倍。換句話說，同樣一個結構，只需轉一轉，它就從一個“軟彈簧”變成了“硬柱子”。

當三個單元堆疊起來，通過排列組合它們的狀態序列，比如60°-120°-60°，整個系統的力–位移曲線會呈現出復雜的多階段非線性特征。拉伸過程中有的階段軟，有的階段硬，而且不同序列組合對應著完全不同的力學曲線，完全可定制。

這種“軟硬可編程”的特性，對機器人領域有直接的啟發。設想一下，一個機械臂的某個關節段，在需要承載時切換到高剛度構型，在需要緩沖時切換到低剛度構型，而實現這一切，只需要對結構本身做一次構型調整，無需額外增加變剛度機構。

04.

既能放大振動，也能吃掉振動

動態性能方面，RodOri展現了更加豐富的可能性。

在一個由7個單元拼嵌而成的平面超材料中，團隊在一端施加固定幅值的振動，在另一端測量輸出。

當所有單元處于平直展開態時，系統像一塊剛體，振動幾乎無損地從頭傳到尾。但把所有單元切換到180°折疊態后，同一個系統表現出了強烈的頻率依賴性。

在2.5赫茲的低頻下，輸出振幅被放大到了輸入的7.8倍；而在15赫茲的高頻下，輸出卻被狠狠削弱到了只有十分之一。不需要換任何零件，僅僅是擰了一下結構，它就從“全通”切換到“低頻放大+高頻抑制”。

更進一步，如果把單元們擰成不對稱的布局，一部分120°，另一部分180°。輸入一個對稱的振動，輸出的卻是不對稱的運動模式。這叫模態轉換。這意味著，振動的“形狀”本身，也能被結構重新編輯。

在一個由23個單元組成的大型陣列模擬中，團隊還演示了更為直觀的機械波“開關”效應。平直狀態下，一個點的振動被鎖在原地，幾乎傳不出去；折疊狀態下，波便暢行無阻，傳遍整個系統。

05.

沒有芯片，卻會計算

RodOri最深刻的啟示，不是某一次變形，而是它背后暗藏的邏輯，模糊了“結構”與“信息”的界限。

在這里，一根桿的曲率、一個單元的扭轉角度，都成了可以被寫入、讀取和重寫的物理信息。沒有電路，沒有芯片，一切計算與調控，都在構型變換中完成。而且，3D打印讓它極為廉價和易于制造。

這不是說Rodori明天就能取代計算機。但它確實打開了這樣一個想象空間：未來的軟體機器人，或許不需要中央處理器來調節四肢的軟硬，構型切換本身就完成了指令。一個自適應減震裝置，或許不需要傳感器來檢測振動頻率，它自己就是感知、判斷和執行的統一體。

當然，RodOri目前仍處于實驗室研究階段。如何實現構型的快速自動化切換，如何在真實機器人系統中進行集成驗證，都是后續需要解決的問題。但研究團隊打開的這個方向已經足夠清晰：讓機器人的身體本身，成為它最聰明的那個部件。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed1774