Design and Fabrication of Origami-Inspired Knitted Fabrics for Soft Robotics

📄 arXiv: 2511.01272v1 📥 PDF

作者: Sehui Jeong, Magaly C. Aviles, Athena X. Naylor, Cynthia Sung, Allison M. Okamura

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-03

💡 一句话要点

提出一种基于针织面料的折纸结构软体机器人设计与制造方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 折纸结构 针织面料 可穿戴设备 材料编程

📋 核心要点

  1. 软体机器人兼顾结构完整性和舒适性仍面临挑战，现有方法难以同时满足可穿戴设备的需求。
  2. 该研究结合折纸结构与针织面料，通过编程针脚和材料，实现可控的折叠和刚度分布。
  3. 实验验证了该方法能够成功复现复杂折纸图案，并制造出可穿戴的运动机器人。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种新颖的制造和设计方法，将折纸结构的优势与针织面料的材料可编程性和可穿戴性相结合，用于软体机器人领域。该方法通过编程针脚和材料图案，将折纸图案转化为针织设计，在优选方向上创建折叠，同时通过选择性地加入热熔纱来创建围绕柔顺折痕的刚性面板，从而抑制意外的屈曲和弯曲。实验量化了折叠力矩，表明针脚图案增强了折叠方向性，而热熔纱（1）通过减少边缘卷曲来保持几何形状的一致性，并且（2）通过硬化面板来防止面外变形。通过成功复制复杂的折纸图案（包括Miura-ori、Yoshimura和Kresling图案）验证了该框架，并展示了一种可穿戴的针织Kaleidocycle机器人，该机器人能够运动。结构可重构性、材料可编程性和潜在的制造可扩展性的结合，突出了针织折纸作为下一代可穿戴机器人有希望的平台。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体机器人在可穿戴应用中，难以同时保证结构的稳定性和穿戴的舒适性。传统的软体机器人材料虽然柔软，但缺乏足够的结构支撑，容易发生形变，而刚性结构虽然稳定，但舒适性较差，不适合长时间穿戴。因此，如何设计一种既具有足够结构强度，又具有良好舒适性的软体机器人是本研究要解决的关键问题。

核心思路：本研究的核心思路是将折纸结构与针织面料相结合。折纸结构具有良好的结构稳定性和可控形变能力，而针织面料具有良好的柔性和可穿戴性。通过将折纸图案转化为针织设计，并利用不同材料的特性，可以实现对软体机器人结构和性能的精确控制。

技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 折纸图案设计：选择或设计目标折纸图案，例如Miura-ori、Yoshimura或Kresling等。2) 针织图案转化：将折纸图案转化为针织图案，通过编程针脚类型和材料分布，控制折叠的方向和位置。3) 材料选择与编程：选择合适的针织纱线，包括普通纱线和热熔纱线。热熔纱线用于增强结构的刚性，防止面外变形。4) 针织制造：利用计算机控制的针织机，按照设计的针织图案进行制造。5) 热处理：对针织结构进行热处理，使热熔纱线熔化并固化，从而增强结构的刚性。

关键创新：该研究的关键创新在于将折纸结构与针织面料相结合，并提出了一种通用的设计方法，可以将任意折纸图案转化为针织设计。此外，该研究还利用热熔纱线来增强结构的刚性，防止面外变形，从而提高了软体机器人的结构稳定性和可控性。与现有方法相比，该方法具有更高的灵活性和可定制性，可以根据不同的应用需求设计不同的软体机器人。

关键设计：在针织图案设计中，需要仔细考虑针脚类型和材料分布。例如，可以使用不同的针脚类型来控制折叠的方向和位置，可以使用热熔纱线来增强结构的刚性。在材料选择中，需要选择具有良好柔性和可穿戴性的纱线。在热处理过程中，需要控制温度和时间，以确保热熔纱线能够充分熔化并固化，但又不会损坏其他纱线。

📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够成功复现复杂的折纸图案，包括Miura-ori、Yoshimura和Kresling图案。通过量化折叠力矩，证明了针脚图案可以增强折叠方向性，而热熔纱线可以减少边缘卷曲，防止面外变形。此外，还展示了一种可穿戴的针织Kaleidocycle机器人，该机器人能够进行运动，验证了该方法在可穿戴机器人领域的应用潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于可穿戴机器人、医疗康复设备、柔性传感器等领域。例如，可以设计用于辅助运动的智能服装，用于监测生命体征的柔性传感器，以及用于康复训练的柔性机器人。该方法具有良好的可扩展性和可定制性，可以根据不同的应用需求进行调整和优化，具有广阔的应用前景。

📄 摘要（原文）

Soft robots employing compliant materials and deformable structures offer great potential for wearable devices that are comfortable and safe for human interaction. However, achieving both structural integrity and compliance for comfort remains a significant challenge. In this study, we present a novel fabrication and design method that combines the advantages of origami structures with the material programmability and wearability of knitted fabrics. We introduce a general design method that translates origami patterns into knit designs by programming both stitch and material patterns. The method creates folds in preferred directions while suppressing unintended buckling and bending by selectively incorporating heat fusible yarn to create rigid panels around compliant creases. We experimentally quantify folding moments and show that stitch patterning enhances folding directionality while the heat fusible yarn (1) keeps geometry consistent by reducing edge curl and (2) prevents out-of-plane deformations by stiffening panels. We demonstrate the framework through the successful reproduction of complex origami tessellations, including Miura-ori, Yoshimura, and Kresling patterns, and present a wearable knitted Kaleidocycle robot capable of locomotion. The combination of structural reconfigurability, material programmability, and potential for manufacturing scalability highlights knitted origami as a promising platform for next-generation wearable robotics.