特斯拉 Optimus 膝關節專利曝光：四桿機構復刻人類膝蓋，量產降本路線更清晰

2026 年 4 月 9 日，美國專利局公佈了一份幾乎沒有多少人在等待的特斯拉專利申請。US20260097493A1 全文二十頁，唯一發明人為 Rod Jafari——他是特斯拉 Bot 團隊的一名資深機械工程師——內容講的是一個膝關節。裡面沒有神經網路，沒有語言模型，也沒有自動駕駛式的敘事框架。只有兩個連桿構件、一個線性執行器，以及以特定方式佈置的四個轉動支點。

這項申請提交於 2022 年 9 月 30 日，也就是特斯拉在第二屆 AI Day 上展示 Bumble-C 原型機能力的同一天。那天晚上，特斯拉的一位工程師站在台上，把機器人的膝關節描述為“受人類膝關節啟發的四桿連桿關節”。三年半之後，美國專利記錄終於追上了這一點。對應的國際 PCT 版本其實早在 2024 年 4 月就已經公開。而在美國版本公開前 9 天，馬斯克還在 X 上寫道：“Optimus 3 已經在走路了，只是還需要做一些收尾。” 這個正在走路的膝關節，幾乎可以肯定，就是這份專利裡的膝關節。

這份專利有意思的地方，並不在於它存在本身，而在於它選擇展示什麼。

一張圖裡的三個階段

大多數專利圖展示的都是已經定型的硬體。而這份專利的圖 2 並排給出了三幅圖，其中第一幅竟然是真實人類膝關節的剖面圖。

最左邊的那一欄標註為“Biological Principle（生物學原理）”，畫出了股骨和髕骨，以及股四頭肌肌腱和髕韌帶施加在髕骨上的受力線。緊挨著它的“Mechanical Analogue（機械類比）”則把這四個受力點替換成了四個支點和四根連桿。第三欄“Design（設計）”則進一步把這個抽象連桿結構落實成真實的機械零件。專利 [0034]–[0037] 還明確逐項說明了兩者之間的對應關係：那一個生物結構對應那一個節點，那一條韌帶對應那一根連桿。

專利文獻很少會把自己的推理路徑一起公開。大多數申請只給出最後的機構，讓讀者自己反推出“為什麼”。而特斯拉這份申請把“為什麼”放在了第二張圖裡，甚至早於任何零件編號出現。換句話說，這張圖等於在說：這個結構之所以長成現在這樣，是因為我們在複製一個已經被驗證有效的東西。

而它所複製的東西，位元斯拉更早，也比人形機器人更早。把四桿機構作為人類膝關節的數學模型，在生物力學中早已是成熟結論。Hamon 等人的研究表明，膝關節四條主要韌帶（前交叉韌帶 ACL、後交叉韌帶 PCL，以及兩條側副韌帶）會共同構成一個四桿系統，決定力如何從股骨傳遞到脛骨。多中心四桿假肢膝關節數十年來一直是臨床標準，而學術界也已經花了很多年時間，用遺傳演算法、粒子群等方法去最佳化這些連桿長度。

因此，特斯拉聲稱的新意，並不是“四桿拓撲”本身，而是 Jafari 為一條人形機器人腿——而不是為截肢假肢——所調出來的那組具體參數。

為什麼人類膝關節很難被超越

生物版本之所以難以超越，原因其實和“生物”本身關係沒那麼大，關鍵在於兩段幾何關係。

其一，是髕骨。在簡單鉸鏈關節中，肌肉沿著一條固定作用線拉動，力臂（也就是該作用線到關節中心的垂直距離）保持恆定。但人類膝關節並不是簡單鉸鏈。髕骨位於關節前方，並會隨著膝蓋彎曲在股骨上滑動，這就改變了股四頭肌肌腱傳遞力量的那條作用線。當你最需要扭矩的時候——大約在屈膝 30 到 60 度、也就是一步行走中最需要膝伸展力的區間——這個力臂會變大。而到了兩端極限位置，力臂又會縮小，因為此時更需要的是速度，而不是力量。

其二，是脛骨並不是圍繞一個固定點轉動。股骨髁與脛骨平台之間的接觸會隨著關節屈曲而滑動，而交叉韌帶對這種滑動進行限制，其數學形式恰好就是一個四桿機構。於是，瞬時轉動中心會隨著角度變化在關節內部移動。換句話說，每一個屈曲角度都有自己最優的力傳遞幾何關係，而且這種幾何關係會自動調整，不需要任何神經控制。

這兩點結合起來，就形成了一種結構：只用一組肌肉，便能在每一個角度上輸出恰到好處的扭矩，同時又儘可能接近最低代謝能耗。這類安排，很像是長期進化搜尋最終收斂出的結果。

特斯拉這份專利借用的，並不是“膝關節長什麼樣”，而是這兩種性質：一個會移動的力臂，以及一個不固定的轉軸。 專利中的四桿機構，正是對這兩點的機械復現。專利 [0049]–[0050] 給出了一個很具體的數字：第一連桿構件大約旋轉 60 度，而小腿卻能旋轉大約 180 度。也就是說，一端很小的線性行程，在另一端可以轉化成很大的角度掃掠，而且兩者之間的比值並不是常數，而是會隨著運動範圍變化，就像人類膝關節的力臂變化那樣。

三比一，而且是在會彎曲變化的幾何關係裡完成。

[專利圖 3A 與 3B：整條腿在兩個不同姿態下的總成圖。左圖為腿部完全伸直，右圖為膝關節接近極限屈曲位置。兩張圖共同展示了四桿機構如何用很小的線性行程換來大範圍的轉動掃掠。]

模擬到底是為了什麼

四桿拓撲本身並不難，難的是怎麼選出實際長度。

一個尺寸隨便設定的四桿機構當然也能動，但大多數隨意尺寸都會得到一個要麼浪費能量、要麼在錯誤角度卡死的膝關節。專利 [0060]–[0062] 描述了特斯拉如何收斂到最終設計中的那組具體長度。方法是：先給定一個目標任務的軌跡，比如步行或奔跑，再由電腦在大量參陣列合下模擬這個連桿機構，並計算每組參數下執行器所需消耗的功率。最終，那個在滿足扭矩、速度和運動範圍要求的前提下、功耗最低的參陣列合，就成為最終設計。

圖 6 就是這個過程留下來的軌跡。圖中展示的是關節扭矩隨關節角度變化的曲線，對應多個候選設計，而執行器推力固定為 6250 牛頓。上下兩條曲線共同限定了可行區域：上邊界由關節在各個角度下所需的最大扭矩決定，下邊界則由最大速度決定。處於這一區間內的三組候選連桿，各自給出了不同的扭矩曲線，而每一條曲線都對應一組不同的連桿長度。這個圖真正展示的，其實是一個比較過程：許多設計、一個可行區間、最終選出那個功耗最低的方案。

圖 4 中那組最終長度，就是這樣得來的。這種最佳化思路，其實和生物力學文獻中最佳化假肢膝關節的方法是一樣的。

真正的新意，不在方法，而在於：特斯拉把這套方法用在了一個必須能夠大規模製造的人形機器人關節上。

為什麼一個膝關節專利，比它看起來更重要

專利在 [0005] 中寫得很直接：這個總成“它可以由單個線性執行器驅動，並在滿足扭矩、速度和運動範圍要求的同時，儘量降低功耗，或者儘量提高效率。”這句話，其實就是整個設計存在的原因。

把這句話拆開，每一個短語背後其實都對應著一個硬體決策。一個關節只用一個電機，而不是三個或四個，就意味著結構更簡單、零件更少、物料成本更低。由於四桿機構能把 60 度放大到 180 度，這個電機只需要推動一個較短的線性行程，因此它本身可以做得更小、更輕，同時還能塞進更纖細的大腿裡。而且，因為連桿幾何已經被調到貼合關節真實所需的扭矩曲線，所以執行器始終不需要在糟糕的機械優勢下硬撐。峰值功率下降，就會直接轉化為：在同樣續航時間下所需電池更小，而更小的電池又會繼續帶來更低的成本和更低的質量。

特斯拉給 Optimus 對外宣佈的消費者規模化目標價格，是 2 萬到 3 萬美元。這個數字如果沒有對每一個關節做極端激進的成本削減，是不可能成立的。而人形機器人身上關節非常多。一個膝關節如果可以少用一個執行器、少用更大的執行器、少用更大的電池，那麼當這種節省被乘到每台機器人兩條腿、再乘到百萬台年產規模時，它就絕不是一筆小錢。2026 年第一季度，特斯拉已經宣佈，將停止 Fremont 工廠的 Model S 和 Model X 生產，為 Optimus 產線騰出空間。

這份專利中的膝關節，就是那個決策所要兌現的具體內容之一。

這個機構本身並不只屬於特斯拉。小鵬在 2025 年 11 月發佈的新一代 IRON，也在膝關節中使用了同樣的改進型倒置 Hoecken 連桿，同時在髖關節上使用了與 Optimus 相同的 A-R-F 關節配置。機器人分析人士幾乎第一時間就看出了這種相似性。等到小鵬 IRON 在台上行走時，特斯拉的設計其實已經在 AI Day 上公開展示了三年，並且在國際專利記錄中公開了一年半以上。

幾何，而不是外形

一份以人類膝關節圖像開篇的專利，並不是在對“生物”提出主張，而是在對“幾何”提出主張。四桿機構，是能夠最小化復現人類膝關節效率來源的機械系統：隨著關節運動而變化的力臂。

而這份專利裡剩下的所有內容，本質上都只是在解決一件事：如何從教科書上的連桿機構，走到一個每年可以製造一百萬次的工業零件。

進化花了幾百萬年才把這套幾何關係磨出來。特斯拉則必須在預算約束下，把它復現出來。 (AI工業)