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同一套模塊設計，拼出了三副完全不同的機器人身體。
第一副，伸進飛機機翼。
第二副，在90°彎管里蠕動。
第三副，成了一只會敲雞蛋的軟體手。
這三件怎么看都不搭邊的事，背后用的卻是同一套“力學積木”：一個用于肌腱驅動連續體機器人模塊化設計庫
這套設計庫名為CRAFT，它由多倫多大學機器人研究所連續體機器人實驗室提出，包含6類基于柔性鉸鏈的3D打印模塊。
相關論文《CRAFT: A 3D-printed Modular Design Library for Task-specific Continuum Robots》于日前登機器人權威期刊《npj Robotics》。
CRAFT想解決的問題很直接：機器人換個任務，身體能不能別再推倒重來？
01.
換個任務，為什么總要重做一副機器人身體？
連續體機器人，長得不像常見的機械臂。它沒有一節節明顯的剛性關節，整段身體可以連續彎曲。看起來像蛇、象鼻，也像一根能自己拐彎的軟管。
這讓它很適合鉆縫。人體內部、飛機機翼、發動機、地下管道，空間越狹窄、路徑越曲折，它的優勢越明顯。
但軟，也有軟的麻煩，撐不住。機器人越長，自重造成的下垂越嚴重；末端再掛上攝像頭或工具，定位和控制還會更難。
過去，研究人員主要有兩種辦法。
一種，是給機器人加入磁鎖、熱致材料、氣動堵塞等變剛度機構。需要彎曲時放軟，需要承重時變硬。剛度是調上去了，高電壓、高溫、氣路和附加機構，也可能一起跟著進來。
另一種辦法更直接，那就是重新設計身體。改骨架，改鉸鏈，改腱繩路徑，再重新打印、裝配和測試。效果可以針對任務做到很細，代價也很清楚。任務一換，往往又要重來。
CRAFT走了另一條路，它先把幾種常用的力學特性做成標準模塊，需要什么性能，再按任務組合。它做的是任務前的機械重構。先換模塊，調順序，再獲得新的剛度和形態。
02.
6類模塊，6種“身體性格”
CRAFT目前有“6名成員”：低剛度、中剛度、高剛度、定向剛度、單向剛度，以及可伸縮模塊。
前三類比較直觀。
低剛度模塊最軟，適合大角度彎曲、通過狹窄轉角；中剛度模塊稍硬一些，在柔性和傳力之間找平衡；高剛度模塊則適合放在機器人根部，專門對抗重力和較大的彎矩。
后面三類，玩法更多。
定向剛度模塊，在不同方向上的抗彎能力不同。機器人朝一個方向可以靈活彎曲，換個方向，就明顯更難被壓彎。
單向剛度模塊更極端。它在X方向的等效抗彎剛度為0.0057 N/m2，在Y方向達到0.061 N/m2，相差超過10倍。
效果有點像卷尺。沿一個方向容易彎，換個方向則明顯更難彎。
同時，它的等效軸向剛度EA達到1150.19 N，是6類模塊中最高的。也就是說，這種模塊沿軸向更難被拉伸或壓縮。
最后一個可伸縮模塊，則完全換了一種脾氣。它內部使用平行彈簧，等效抗彎剛度只有0.00078 N·m2，軸向剛度EA為6.80 N。
它不擅長撐住，擅長的是伸縮。一拉一縮，正好可以拿來模仿尺蠖爬行。
6類模塊，內部結構不同，外部接口卻保持兼容。
模塊之間通過端盤和鉚釘連接，腱繩從端盤邊緣的弧形槽中穿過。相鄰端盤合上后，槽口會形成封閉的腱道。更換其中一節時，不必把整根腱繩全部抽出，只需要處理待替換位置附近的一小段。
研究稱，模塊可以在數分鐘內完成替換和重排。
這里需要注意的是，真正被重新排列的，不只是零件，還有機器人身體不同位置的柔軟程度、傳力能力和彎曲方向。
03.
一套模塊，拼出三副完全不同的身體
為了驗證CRAFT不只適用于某一種機器人，團隊用同一套模塊設計，搭建了三套形態和任務完全不同的系統。
第一副身體，伸進飛機機翼。
這是一條長816毫米的腱驅連續體機器人，用于檢查機翼內部的翼肋和翼梁。原始配置中，中段采用中剛度模塊，末端采用低剛度模塊。機器人水平伸出后，中段和末端在自重下總共下垂約55毫米。
團隊沒有更換驅動單元，也沒有修改根部、腱路和控制接口，只將中段換成單向剛度模塊，將末端換成定向剛度模塊。其中，末端模塊的尺寸經過參數化調整，以兼顧抗重力能力和彎曲范圍。
在驅動腱張力為零的條件下，機器人下垂量由約55毫米降至33毫米，減少約41%。檢查范圍也由此前的機翼第3個內部區段，進一步延伸至第4個區段。
第二副身體，用來鉆管道。
團隊將可伸縮模塊與較硬的傳力模塊組合起來，讓機器人以類似尺蠖的方式收縮、伸展。
實驗管道內徑50毫米、全長826毫米，包含直管、90°彎管和30°斜坡，機器人全部通過。
在一次代表性實驗中，它在直管中的平均速度約為1.2毫米/秒；進入90°彎管后，速度約為1.0毫米/秒；爬上30°斜坡時，降至0.53毫米/秒。
不算快。但它沒有使用主動形狀控制。而是保持身體柔順，順著管道被動轉彎。論文將其定位為概念驗證，尚未系統評估爬行效率與穩定性。
第三副身體，負責敲雞蛋。
團隊將模塊縮小到直徑22毫米，用單向剛度結構制成四根彎曲手指，再配上一根能夠上下平移的中央手指，組成一只五指軟體手。
四根側指先柔順地包住生雞蛋，中央手指再向下施加沖擊。這樣的結構既能避免抓取時提前捏碎雞蛋，又能沿軸向傳遞敲殼所需的力。
在13次連續實驗中，軟體手成功敲裂12枚雞蛋，其中11次完成開殼和蛋液分離，完整任務成功率為84.6%。
探機翼，需要抗彎；鉆管道，需要伸縮；敲雞蛋，既要柔順，又要傳遞沖擊力。它都做到了！
要知道，這并不是同一臺機器人在三種形態之間連續“變身”。三套系統的驅動方式并不相同，它們復用的是CRAFT的模塊設計、接口原則和制造方法，并根據任務縮放和重新組合。
04.
單個模塊，打印材料費不到4元
CRAFT的另一個吸引力來自3D打印。
論文中的常規模塊主要采用FDM工藝，端盤和圓環使用PLA，承擔反復形變的柔性結構使用抗沖擊性更好的聚碳酸酯材料。6類模塊的打印時間在1小時至1小時42分鐘之間。
按照團隊采用的加拿大零售耗材價格計算，單個模塊的打印材料成本為0.44至0.68加元，約合人民幣2.1至3.3元。最貴的高剛度模塊，材料費也只有3元多。
當然，這只是材料費。打印設備、人工裝配、設備折舊和整套驅動系統，都沒有被計算進去。
但低材料成本仍然意味著，試錯可以更快。性能不合適，換一種。順序不滿意，重新排。需要調整尺寸，再打印一版。
論文還展示了直徑10毫米至40毫米的不同尺寸樣件。尺寸較大的模塊由FDM打印后裝配，更小的版本可以通過SLA工藝一次成形。
不過，縮小幾何尺寸不代表性能原樣復制。材料、打印工藝和尺寸發生變化后，絕對剛度仍需重新測試。
05.
能拼，不代表已經“萬能”
CRAFT很像樂高，但它還不是一盒隨心所欲的萬能積木。
首先，庫里目前只有6類預設模塊。
它們覆蓋了幾個差異明顯的剛度區間，卻還不能滿足任意力學需求。用戶暫時不能輸入一個目標剛度，讓系統自動生成最合適的模塊。想要介于兩類模塊之間的性能，仍需要人工調整柔性結構的厚度、寬度和長度。
其次，論文中的剛度數據全部來自單樣本測試。沒有多批次重復實驗，也沒有誤差棒。
因此，表格中的數值更適合用來比較“哪個更軟、哪個更硬”，還不能直接當成精密工程設計常數。
材料、尺寸、打印方向和制造設備一換，絕對數值都需要重新標定，耐久性也需要繼續補課。
團隊只對低剛度模塊進行了1萬次彎曲循環測試。實驗過程中，最大作用力逐漸下降；測試結束后，柔性鉸鏈區域出現了多處裂紋。
論文明確將三套機器人定位為概念驗證樣機。它們證明了這套模塊庫能夠跨越探傷、移動和操作三類任務，卻并不代表已經是各自場景中的最優產品。
所以，CRAFT沒有讓連續體機器人一夜之間變成“變形金剛”。它真正改變的，是造機器人的方式。
過去，面對一個新任務，研究人員先設計一臺新機器人。現在，可以先打開模塊庫，這里要軟一點，那里得硬一點，中間再加一段能伸縮的結構，像搭積木一樣，把機器人的機械性能一塊塊拼出來。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44182-026-00107-x
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