四十年前的舊專利，如今有望成為機器人的變形骨骼

1985 年，“創新設計基金”（Innovative Design Fund）在《科學美國人》雜志上登了一則廣告：懸賞最高 1 萬美元，征集紡織品、家居和服裝領域的巧妙原型。當時，還在寶麗來（Polaroid）公司擔任電氣工程師的William Freeman 看到了這則廣告。

他交出了一份略帶“異想天開”色彩的方案：一種三面拉鏈。

它并非為了拉合衣物，而是像一種狀態開關，能讓帳篷、椅子或手提包在柔軟折疊與堅硬挺括之間自由切換。這個設計的截面呈三角形，三條邊各有一條串著窄木齒的帶子。一個特制的滑塊沿裝置推動時，會將三條帶子鎖緊，合攏成一根堅固的三角柱。

可惜的是，基金最終沒有采納這個方案，但 Freeman 并未氣餒。他為原型申請了專利（美國專利號 US 4,757,577，1988 年授權），將手工樣品收進車庫，心想或許某天能用上。

這一收，就是將近四十年。

直到 2024 年前后，MIT 計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）的研究團隊在探索“可調剛度”材料時，從這個項目獲得了靈感。所謂可調剛度，是指物體能根據需求在柔軟易折與堅硬承重之間動態轉換。當時的解決方案各有短板：例如充氣結構需持續供氣，折紙機構組裝繁瑣，顆粒堵塞依賴外接泵管，相變材料又受限于熱力學響應速度。

Freeman 的三面拉鏈構思雖因當年的加工限制無法量產，卻恰好契合了如今 3D 打印與參數化設計的技術土壤。團隊以此為靈感，開發出名為“Y-zipper”的新型結構與自動化設計工具。從橫截面看，三條柔軟的帶子呈 Y 字形分叉，合攏后便是一根堅實的三棱柱。

圖 | Y-zipper（來源：MIT News）

Y 形拉鏈如何運作？

Y-zipper 的核心機制并不復雜。它由三條柔性帶組成，各自附著一排波浪形齒，齒上集成了類似微型樂高卡扣的球節與插槽。滑塊被巧妙拆分為“匯聚器”與“分離器”兩個模塊：前者通過內傾幾何面將滑動推力轉化為向心的徑向力，使三排齒依次咬合；后者則利用斜面將拉力轉化為向外的分離力。

兩個模塊通過旋轉鎖扣可自由拆裝，省去了初始對齊的繁瑣。往上一推，軟條瞬間鎖成硬桿；往下一拉，硬桿又散回柔帶。實測數據顯示，閉合后的彎曲剛度提升了約 160 倍，原本可隨意纏繞的軟條，拉上拉鏈后便能直接作為承重構件使用。

為了讓這項老構思真正落地，團隊基于 Rhinoceros 8 和 Grasshopper 開發了一套計算設計工具。

使用者只需從直線、彎曲、螺旋和扭轉四種基本運動形態中挑選組合，軟件便會自動生成齒形、柔性橋接與滑塊的幾何結構，展開為平面排版后，即可直接交由 FDM 3D 打印機一體成型。整個過程徹底告別了手工逐齒拼裝的繁瑣，這也是它區別于此前類似研究的關鍵所在。在快速可逆、自動驅動與曲線定制等維度上，Y-zipper 展現出了高度的工程完整性。

在實際驅動方式上，設計者提供了靈活的選項。

最基礎的是手動推拉，適合小尺度原型或可穿戴設備；若需自動化，可搭載一套僅重 18 克的微型驅動模塊，內置 N20 電機與 ESP32 微控制器，能沿拉鏈帶自主爬行，通過藍牙在 25 米外遙控，輕巧到足以安裝在機器人關節處；對于需要大曲率或垂直懸掛的場景，則可采用靜態驅動方案，將三組電機與彈簧固定于基座，把拉鏈帶平穩“喂入”閉合，有效規避了未閉合部分自重帶來的卡滯問題。

圖 | Y-zipper 的三種驅動方式（來源：論文）

當拉鏈遇上機器人

這種按需切換軟硬的特性，迅速催生了多個極具潛力的應用原型。

在帳篷改造實驗中，團隊將傳統支撐桿替換為 1.5 米長的 Y-zipper。手動操作下，單人僅需一分多鐘即可完成搭建。若配合四個微型驅動器并行工作，時間可壓縮至一分鐘內，拆除時拉開拉鏈只需四十秒，硬桿瞬間恢復為可卷曲收納的軟帶，為應急救援中的快速庇護所搭建提供了新思路。

（來源：論文）

在醫療康復領域，一款針對三角纖維軟骨復合體損傷的手腕支具展現了其人文價值。支具的三條帶中有一條直接打印在織物上，白天保持柔軟以確保關節靈活、防止肌肉萎縮，夜間或高風險時段單手即可拉合，瞬間轉為剛性框架提供穩定保護，彌補了傳統石膏無法動態調節的缺陷。

（來源：論文）

更引人注目的是在一臺四足步行機器人的應用。它的每條腿由一根 360 毫米長的 Y-zipper 桿構成，近端配備收卷輪與閉環編碼器驅動器。通過協調控制，機器人能在三秒內將身高從 60 毫米平滑調節至 245 毫米，并在伸縮過程中保持穩定的小跑步態。縮短腿時，它能鉆過 180 毫米高的低矮縫隙；伸長腿時，則可輕松跨越 160 毫米的障礙。沒有復雜的傳統伸縮連桿，僅憑四根“拉鏈管”的收放便實現了輕量化與快速響應。

此外，團隊還制作了一朵動態藤蔓花：未展開時僅 12 厘米高，驅動器啟動后，藤蔓向上延伸并自然彎曲，帶動內部釣線緩緩綻放花瓣，最終伸展至 1.3 米。這一案例不僅驗證了 Y-zipper 在大曲率幾何下的驅動能力，也為舞臺裝置與互動藝術打開了想象空間。

軟與硬之間的工程邊界

不過，任何新材料走向實際應用，耐久性都是繞不開的考驗。

團隊通過三點彎曲測試發現，當 TPU 材質的橋接厚度從 0.8 毫米增至 2.0 毫米時，最大承載可從 11 公斤提升至 18 公斤。PLA 材質剛度更高，但在極限載荷下易發生脆性斷裂，而 TPU 則能通過較大變形緩沖壓力。一個僅重 120 克的組合結構（九段直線加八段 90 度彎折），便能穩穩托起一臺 1.5 公斤的筆記本電腦，極限承重約 6 公斤。

在疲勞測試中，動態驅動器以每循環 8 秒的節奏連續開合，運行近 40 小時、突破 18,000 次后，齒與橋接界面才出現斷裂。三維仿真證實，這種彈性結構能有效分散應力，是其高耐久性的關鍵。

當然，論文也坦誠了當前的工程邊界。受限于 FDM 打印工藝與 PLA、TPU 材料的物理特性，Y-zipper 在高載荷或極端環境下的表現仍有提升空間。

當拉鏈長度超過 1 米時，重力導致的下垂問題逐漸顯現：單臺微型電機在垂直方向最多只能閉合 1.2 米，超過此長度易因自重堵轉；靜態驅動器的極限約為 1.8 米。綜合來看，目前可行的最大長度在 3 米左右，再長則底部橋接可能因重力斷裂。此外，打印精度仍是瓶頸，齒厚低于 1.2 毫米時卡扣易脫，功能條帶寬度若窄于 8 毫米則難以有效咬合。

圖 | 論文第一作者酈家驥（來源：個人主頁）

面對這些限制，論文第一作者、MIT CSAIL 博士后酈家驥（Jiaji Li）表示，未來將探索金屬等高強度材料，或轉向 SLA 等更高分辨率的打印工藝以突破尺寸限制，同時為大型工程引入多電機協同與配重機構。他的導師、MIT 副教授 Stefanie Mueller 帶領的人機交互工程組，正致力于將這類可變結構融入更廣泛的物理計算場景。

1. https://news.mit.edu/2026/three-sided-y-zipper-design-0504

2. https://sites.mit.edu/jiaji/

3. https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3772318.3790723