四十年前的旧专利，如今有望成为机器人的变形骨骼

1985 年，“创新设计基金”（Innovative Design Fund）在《科学美国人》杂志上登了一则广告：悬赏最高 1 万美元，征集纺织品、家居和服装领域的巧妙原型。当时，还在宝丽来（Polaroid）公司担任电气工程师的William Freeman 看到了这则广告。

他交出了一份略带“异想天开”色彩的方案：一种三面拉链。

它并非为了拉合衣物，而是像一种状态开关，能让帐篷、椅子或手提包在柔软折叠与坚硬挺括之间自由切换。这个设计的截面呈三角形，三条边各有一条串着窄木齿的带子。一个特制的滑块沿装置推动时，会将三条带子锁紧，合拢成一根坚固的三角柱。

可惜的是，基金最终没有采纳这个方案，但 Freeman 并未气馁。他为原型申请了专利（美国专利号 US 4,757,577，1988 年授权），将手工样品收进车库，心想或许某天能用上。

这一收，就是将近四十年。

直到 2024 年前后，MIT 计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究团队在探索“可调刚度”材料时，从这个项目获得了灵感。所谓可调刚度，是指物体能根据需求在柔软易折与坚硬承重之间动态转换。当时的解决方案各有短板：例如充气结构需持续供气，折纸机构组装繁琐，颗粒堵塞依赖外接泵管，相变材料又受限于热力学响应速度。

Freeman 的三面拉链构思虽因当年的加工限制无法量产，却恰好契合了如今 3D 打印与参数化设计的技术土壤。团队以此为灵感，开发出名为“Y-zipper”的新型结构与自动化设计工具。从横截面看，三条柔软的带子呈 Y 字形分叉，合拢后便是一根坚实的三棱柱。

图 | Y-zipper（来源：MIT News）

Y 形拉链如何运作？

Y-zipper 的核心机制并不复杂。它由三条柔性带组成，各自附着一排波浪形齿，齿上集成了类似微型乐高卡扣的球节与插槽。滑块被巧妙拆分为“汇聚器”与“分离器”两个模块：前者通过内倾几何面将滑动推力转化为向心的径向力，使三排齿依次咬合；后者则利用斜面将拉力转化为向外的分离力。

两个模块通过旋转锁扣可自由拆装，省去了初始对齐的繁琐。往上一推，软条瞬间锁成硬杆；往下一拉，硬杆又散回柔带。实测数据显示，闭合后的弯曲刚度提升了约 160 倍，原本可随意缠绕的软条，拉上拉链后便能直接作为承重构件使用。

为了让这项老构思真正落地，团队基于 Rhinoceros 8 和 Grasshopper 开发了一套计算设计工具。

使用者只需从直线、弯曲、螺旋和扭转四种基本运动形态中挑选组合，软件便会自动生成齿形、柔性桥接与滑块的几何结构，展开为平面排版后，即可直接交由 FDM 3D 打印机一体成型。整个过程彻底告别了手工逐齿拼装的繁琐，这也是它区别于此前类似研究的关键所在。在快速可逆、自动驱动与曲线定制等维度上，Y-zipper 展现出了高度的工程完整性。

在实际驱动方式上，设计者提供了灵活的选项。

最基础的是手动推拉，适合小尺度原型或可穿戴设备；若需自动化，可搭载一套仅重 18 克的微型驱动模块，内置 N20 电机与 ESP32 微控制器，能沿拉链带自主爬行，通过蓝牙在 25 米外遥控，轻巧到足以安装在机器人关节处；对于需要大曲率或垂直悬挂的场景，则可采用静态驱动方案，将三组电机与弹簧固定于基座，把拉链带平稳“喂入”闭合，有效规避了未闭合部分自重带来的卡滞问题。

图 | Y-zipper 的三种驱动方式（来源：论文）

当拉链遇上机器人

这种按需切换软硬的特性，迅速催生了多个极具潜力的应用原型。

在帐篷改造实验中，团队将传统支撑杆替换为 1.5 米长的 Y-zipper。手动操作下，单人仅需一分多钟即可完成搭建。若配合四个微型驱动器并行工作，时间可压缩至一分钟内，拆除时拉开拉链只需四十秒，硬杆瞬间恢复为可卷曲收纳的软带，为应急救援中的快速庇护所搭建提供了新思路。

（来源：论文）

在医疗康复领域，一款针对三角纤维软骨复合体损伤的手腕支具展现了其人文价值。支具的三条带中有一条直接打印在织物上，白天保持柔软以确保关节灵活、防止肌肉萎缩，夜间或高风险时段单手即可拉合，瞬间转为刚性框架提供稳定保护，弥补了传统石膏无法动态调节的缺陷。

（来源：论文）

更引人注目的是在一台四足步行机器人的应用。它的每条腿由一根 360 毫米长的 Y-zipper 杆构成，近端配备收卷轮与闭环编码器驱动器。通过协调控制，机器人能在三秒内将身高从 60 毫米平滑调节至 245 毫米，并在伸缩过程中保持稳定的小跑步态。缩短腿时，它能钻过 180 毫米高的低矮缝隙；伸长腿时，则可轻松跨越 160 毫米的障碍。没有复杂的传统伸缩连杆，仅凭四根“拉链管”的收放便实现了轻量化与快速响应。

此外，团队还制作了一朵动态藤蔓花：未展开时仅 12 厘米高，驱动器启动后，藤蔓向上延伸并自然弯曲，带动内部钓线缓缓绽放花瓣，最终伸展至 1.3 米。这一案例不仅验证了 Y-zipper 在大曲率几何下的驱动能力，也为舞台装置与互动艺术打开了想象空间。

软与硬之间的工程边界

不过，任何新材料走向实际应用，耐久性都是绕不开的考验。

团队通过三点弯曲测试发现，当 TPU 材质的桥接厚度从 0.8 毫米增至 2.0 毫米时，最大承载可从 11 公斤提升至 18 公斤。PLA 材质刚度更高，但在极限载荷下易发生脆性断裂，而 TPU 则能通过较大变形缓冲压力。一个仅重 120 克的组合结构（九段直线加八段 90 度弯折），便能稳稳托起一台 1.5 公斤的笔记本电脑，极限承重约 6 公斤。

在疲劳测试中，动态驱动器以每循环 8 秒的节奏连续开合，运行近 40 小时、突破 18,000 次后，齿与桥接界面才出现断裂。三维仿真证实，这种弹性结构能有效分散应力，是其高耐久性的关键。

当然，论文也坦诚了当前的工程边界。受限于 FDM 打印工艺与 PLA、TPU 材料的物理特性，Y-zipper 在高载荷或极端环境下的表现仍有提升空间。

当拉链长度超过 1 米时，重力导致的下垂问题逐渐显现：单台微型电机在垂直方向最多只能闭合 1.2 米，超过此长度易因自重堵转；静态驱动器的极限约为 1.8 米。综合来看，目前可行的最大长度在 3 米左右，再长则底部桥接可能因重力断裂。此外，打印精度仍是瓶颈，齿厚低于 1.2 毫米时卡扣易脱，功能条带宽度若窄于 8 毫米则难以有效咬合。

图 | 论文第一作者郦家骥（来源：个人主页）

面对这些限制，论文第一作者、MIT CSAIL 博士后郦家骥（Jiaji Li）表示，未来将探索金属等高强度材料，或转向 SLA 等更高分辨率的打印工艺以突破尺寸限制，同时为大型工程引入多电机协同与配重机构。他的导师、MIT 副教授 Stefanie Mueller 带领的人机交互工程组，正致力于将这类可变结构融入更广泛的物理计算场景。

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