中國粉體網(wǎng)訊  人形機(jī)器人作為前沿科技領(lǐng)域的重要方向，對結(jié)構(gòu)重量、力學(xué)性能與運(yùn)動靈活性有著嚴(yán)苛要求。傳統(tǒng)金屬材料雖在強(qiáng)度上具備優(yōu)勢，但較高的密度易導(dǎo)致機(jī)器人整體重量過大，制約其動態(tài)性能與續(xù)航能力。復(fù)合材料憑借高比強(qiáng)度、高比剛度及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為突破這一瓶頸的關(guān)鍵，尤其在輕量化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著應(yīng)用價(jià)值。

復(fù)合材料：輕量化與高性能的核心載體

實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人輕量化，核心在于在保證力學(xué)性能的前提下降低結(jié)構(gòu)重量，材料的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）與比模量（模量/密度）是關(guān)鍵指標(biāo)。

常用于人形機(jī)器人的復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料性能比較 來源：《復(fù)合材料在人形機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)展與趨勢》（熊健等）

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（AFRP）等，具有高比強(qiáng)度和高比剛度，是典型的輕量化材料。采用纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料替代鋁合金的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般可以實(shí)現(xiàn)30%以上的結(jié)構(gòu)減重。例如，Lee等用碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料制造人形機(jī)器人前臂與傳動軸，相比鋼材減重9-15公斤，大幅提升了機(jī)器人動態(tài)響應(yīng)速度；Elasswad等通過3D打印技術(shù)，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表皮與尼龍芯層結(jié)合，開發(fā)出HYDROID機(jī)器人的柔性腳，不僅減重70%（質(zhì)量僅0.265kg），彎曲強(qiáng)度還提升3倍。

HYDROID機(jī)器人的柔性腳設(shè)計(jì)尺寸 來源：Elasswad.Development of a new deformable flexible active foot for hydroïd robot using 3D printing of composite

目前，波士頓動力Atlas、本田ASIMO、宇樹科技Walker等主流人形機(jī)器人，均已在外殼、骨架或承重結(jié)構(gòu)中規(guī)�；瘧�(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，其整機(jī)重量較全金屬設(shè)計(jì)降低15%-25%，運(yùn)動靈活性與耐久性顯著提升，可適應(yīng)復(fù)雜地形行走、肢體協(xié)同作業(yè)等多樣化場景。

特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）則在中高端場景中展現(xiàn)出替代金屬的潛力。PEEK兼具耐高溫、耐磨、自潤滑與耐腐蝕性，其復(fù)合材料進(jìn)一步強(qiáng)化了力學(xué)性能。特斯拉Optimus Gen-2機(jī)器人通過采用碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)減重10公斤，行走速度提升30%；由PEEK制造的齒輪、軸承與骨骼部件，既能滿足結(jié)構(gòu)承重需求，又能減少運(yùn)動摩擦損耗，適配機(jī)器人長期高頻運(yùn)行。

PEEK材料可應(yīng)用部位 來源：特斯拉，民生證券研究院

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：進(jìn)一步釋放輕量化潛力

除材料創(chuàng)新外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)輕量化的另一核心路徑，通過算法模擬結(jié)構(gòu)受力分布，優(yōu)化材料空間布局。Albers等針對ARMAR III機(jī)器人胸腔支撐結(jié)構(gòu)，提出“基礎(chǔ)拓?fù)鋬?yōu)化+動態(tài)耦合效應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化”的雙階段方法，基于復(fù)合材料設(shè)計(jì)出重量僅2.7公斤的高剛度結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)減重40%；Junk等將拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造結(jié)合，應(yīng)用于人形機(jī)器人骨盆模塊，在提升結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)46%的減重，有效降低了機(jī)器人下半身運(yùn)動負(fù)荷。

胸腔支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化 來源：Albers.Methods for Lightweight Design of Mechanical Components in Humanoid Robots

總結(jié)與展望

復(fù)合材料已成為推動人形機(jī)器人輕量化與高性能化的核心材料，其應(yīng)用覆蓋從外殼、骨架到傳動部件、驅(qū)動組件的全結(jié)構(gòu)體系。纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料憑借高比強(qiáng)度特性實(shí)現(xiàn)大幅減重，PEEK等特種工程塑料拓展了中高端場景應(yīng)用，而拓?fù)鋬?yōu)化與集成化設(shè)計(jì)則進(jìn)一步釋放了材料潛力，使機(jī)器人在減重的同時(shí)，動態(tài)性能、耐久性與功能適配性均得到提升。

未來，隨著復(fù)合材料低成本制造技術(shù)（如高效3D打印、自動化成型）的突破，以及多材料協(xié)同設(shè)計(jì)（如復(fù)合材料與金屬、彈性體的混合結(jié)構(gòu)）的發(fā)展，人形機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)“更輕重量、更高性能、更低成本”的突破，為其從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)、家庭等實(shí)際應(yīng)用場景奠定基礎(chǔ)。

參考來源:

熊健.復(fù)合材料在人形機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)展與趨勢

Albers.Methods for Lightweight Design of Mechanical Components in Humanoid Robots

Elasswad.Development of a new deformable flexible active foot for hydroïd robot using 3D printing of composite

東吳證券《人形機(jī)器人輕量化：產(chǎn)業(yè)化前夕的進(jìn)修課，應(yīng)用為重——人形機(jī)器人深度研究系列九》

(中國粉體網(wǎng)編輯整理/月明)

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