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军事科学院国防科技创新研究院在Science Advances发表题为“Origami Exoskeletons for Enhanced Soft Robotic Manipulation”的封面文章，首次提出可增强软体机器人操作能力的折纸外骨骼。
Science Advances封面文章（Volume 11, Issue 31, 01 Aug 2025）
软体机器人具备超柔性结构特征，可实现大幅形变与运动。受限于软材料低杨氏模量的固有特性，其难以生成操作所需的高输出力，导致搬运、抓握及支撑等任务执行受限（图1A）。受甲壳类生物外骨骼启发，研究团队设计出兼具刚柔混合与力学多稳态特性的折纸薄壳结构，该结构可作为软体驱动器或软体机械臂的外骨骼（图1B）。
折纸外骨骼单元无需外力即可维持多种稳定构型（包括展开态、折叠态与弯曲态）（图1C）。展开态与折叠态均对应单元局部应变能极小值，确保系统处于稳定平衡态。变形过程中，折纸外骨骼的力—位移响应呈锯齿状特征：稳定态呈现高刚度特性，不同稳态间可实现低刚度长行程切换（图1D）。此特性为形变能力与承载性能的本征平衡奠定了理论基础。
图1- 仿生折纸外骨骼：（A）软体臂大形变与高承载的矛盾关系；（B）甲壳类生物外骨骼结构与材料特征；（C）多稳态折纸单元及力学特性；（D）折纸外骨骼力—位移曲线及外骨骼增强型机械臂
现有刚度增强技术涵盖颗粒阻塞/纤维/层干扰、拮抗驱动、自锁结构、形状记忆材料（合金/聚合物）、低熔点合金、热塑性材料及刚性折纸机构等。此类方法在非伸展及低伸展区间（伸缩比≤200%）可有效提升刚度，但对大伸缩比软体臂系统存在变形局限性。此外，现有的侵入式增强设计还会破坏软体臂原始结构，导致应力集中或自由度损失。本工作提出非侵入式刚度调控方法，通过折纸外骨骼在软体臂外部卷曲包覆，在保持本征柔顺性前提下实现结构刚度与承载能力的阶跃式提升（图2A）。研究团队设计的外骨骼增强软体臂在300%伸缩比下等效模量达26.13 MPa（图2B）。相较刚性骨架，多稳态折纸外骨骼降低了对驱动器的精度要求，并显著减少了维持目标构型所需的持续驱动力。
图2- 折纸外骨骼增强型软体臂性能及应用：（A）折纸外骨骼卷曲包覆软体臂实现非侵入式增强；（B）刚度增强方法效能对比；（C）外骨骼增强型软体臂在小型无人车/无人机平台的集成应用
智能灵巧机器人（Intelligent and Dexterous Robot, IDR）团队长期聚焦灵巧机器人结构设计、本体感知与智能控制研究，持续推动灵巧机器人在各类复杂任务场景中的试验及应用。
此次提出的外骨骼增强机械臂融合轻量化构造、高压缩比及快速集成优势，可进一步集成于无人系统实现大尺度空间灵巧操作，并满足负载需求。例如：小型无人车搭载的外骨骼软体臂成功于700 mm高度（约7倍车高）完成水果采摘；无人机平台的外骨骼软体臂成功完成抽屉开启并完成目标物抓取（图2C）。该方法突破了柔性与负载的矛盾关系，在保留软体臂原始设计理念前提下，通过非侵入式增强显著提升了航空航天等领域的操作能力，推动柔性操作向大变形、高负载及强适应性方向发展。
