近年來，得益于生成式人工智能技術的突破性進展，人形機器人產業熱度不斷走高，包括華為、小米、騰訊、特斯拉、宇樹科技等國內外科技企業紛紛入局加碼相關賽道。

 

       行業分析報告顯示，2023 年，我國人形機器人產業進入爆發期，產業規模增長至 39.1 億元，同比增長 85.7%；預計 2024 年、2025 年人形機器人產業將持續高速增長，2026 年中國人形機器人產業規模將突破 200 億元。

 

 

 

       機器人本體輕量化技術是目前研究的重點方向之一，能解決在緊密空間內的人與機器人的緊密協作、保證機器與人類一起協作工作時不會受到機器的傷害、提高機器人的機動靈活性等問題。

 

       肢體骨骼是支撐人形機器人進行各種行動的基本框架，其應用場景包括外殼材料、脊椎、大臂、小臂、大腿、小腿等結構件，常用材料包括鋼材、鋁合金、鎂合金、碳纖維、高分子材料等。在輕量化趨勢下，“以塑代鋼”也是人形機器人生產制造的熱門話題，本文將為大家介紹8種人形機器人常用的高分子材料。

 

       1、聚醚醚酮（PEEK）

 

        2024 年初，特斯拉展示了 Optimus-Gen 2 二代人形機器人，在不犧牲性能的情況下減重 10 公斤，并加快行走速度 30%，所依靠的是一種輕量化材料—— PEEK 材料。PEEK 是人形機器人生產制造的重要原材料之一。

 

 

 

       PEEK 中文名聚醚醚酮，是在主鏈結構中含有一個酮鍵和兩個醚鍵的重復單元所構成的高聚物，屬特種高分子材料，是綜合性能和產品附加值最高的特種工程塑料。

 

 

 

       PEEK 性能全面，在剛性方面優于絕大多數特種工程塑料，兼具韌性、機械性能，以及優異的耐熱、耐磨、耐腐蝕性能。PEEK 比強度大、密度低。在滿足強度要求的前提下，PEEK 可以大幅度減小材料本身的自重，成為實現輕量化的解決方案，工業領域“以塑代鋼”應用空間廣闊。

 

 

 

       PEEK 可通過與碳纖維、玻纖等材料復合來提高材料的綜合性能。借助于碳纖維很高的拉伸強度和彈性模量，碳纖維復合 PEEK 材料展現出更高的韌性、抗沖擊性、比強度、熱穩定性，適用于機器人機械臂、關節連桿等部位，在人形機器人領域潛在應用空間很大。

 

       預計在人形機器人 1000 萬臺的需求下，使用 PEEK 實現輕量化將拉動 10.5 萬噸的 PEEK 增量，帶來 525 億元的 PEEK 市場規模。

 

 

 

       全球 PEEK 供應商包括威格斯、中研股份、浙江鵬孚隆、沃特股份、君華特塑、華密新材料、同益實業等。

 

       2、聚酰胺（PA）

 

       來自法國的 Ensta ParisTech 公司和 Flowers Lab 公司設計的機器人 Poppy，除馬達和電子電路以外，所有零件都是 3D 打印的，采用的是選擇性燒結（SLS）工藝，材料為聚酰胺（PA）。

 

 

 

       尼龍（Nylon），中文名聚酰胺，英文名稱 Polyamide（簡稱 PA），是分子主鏈上含有重復酰胺基團 —NHCO— 的熱塑性樹脂總稱。產品應用廣泛，幾乎覆蓋每一個領域，是五大工程塑料中應用最廣的品種，密度低，機械強度、剛度、硬度、韌性高、耐老化性能好、機械減振能力好、良好的滑動性、優異的耐磨性、機械加工性能好、用于精密有效控制時、無蠕動現象、抗磨性能良好、尺寸穩定性好。缺點是吸水性強。

 

       人形機器人主要應用的尼龍材料是 PA66、PPA。相關供應商包括：金發科技、艾曼斯、巴斯夫、贏創等。

 

       3、PC/ABS

 

       軟銀集團推出的人形機器人 NAO 主要材料為聚碳酸酯-ABS 塑料、聚酰胺和碳纖維增強熱塑性塑料。

 

 

 

       ABS 工程塑料即 PC+ABS（工程塑料合金），在化工業的中文名字叫塑料合金，之所以命名為 PC+ABS，是因為這種材料既具有 PC 樹脂的優良耐熱耐候性、尺寸穩定性和耐沖擊性能，又具有 ABS 樹脂優良的加工流動性。所以應用在薄壁及復雜形狀制品，能保持其優異的性能，以及保持塑料與一種酯組成的材料的成型性。ABS 工程塑料最大的缺點就是質量重、導熱性能欠佳。它的成型溫度取于它們兩者原料的之間溫度，就是 240-265℃，溫度太高 ABS 會分解，太低 PC 料的流動性不良。

 

       科思創生產的模克隆^®聚碳酸酯和拜本蘭^®（PC+ABS；PC+ASA 共混料）樹脂可用于人形機器人制造。

 

 

 

       4、聚苯硫醚（PPS）

 

       聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，PPS）全稱為聚苯基硫醚，是分子主鏈中帶有苯硫基的熱塑性樹脂，是一種綜合性能優異的特種工程塑料。

 

       中科興業為人形機器人推出 PPS 材料，相較金屬或陶資材料而言，PPS 高分子復合材料減重可達 60%，綜合成本更低。不屏蔽電磁信號，且具有良好的耐溫性、電絕緣性、自阻燃以及耐磨性等，能夠適用于各種要求的智能機器人應用。

 

       應用領域：人體外骨骼（連接件、護板、動力中心殼體等）、齒輪、軸承件。

 

 

圖源：中科興業

 

       相關材料供應商：中科興業等。

 

       5、液晶聚合物（LCP）

 

       普通工業機器人，關節在 2-10 軸之間，而人形機器人關節數量預計在 40 個以上（特斯拉 Optimus 40 個），每一個關節都需要一臺伺服電機，所以伺服電機是人形機器人的主要核心零部件之一。

 

       機器人的伺服電機連接器等電子元器件中廣泛使用特種工程塑料，尤其是 LCP 材料。LCP（Liquid Crystal Polymer）又稱液晶聚合物，具有流動性好、尺寸穩定性好、耐高溫、高頻介電穩定性等優異性能，適用于精密元器件，是微型電機、高頻信號連接器的最佳材料選擇之一。

 

 

 

       相關材料供應商：金發科技、沃特股份等。

 

       6、碳纖維復合材料

 

       碳纖維復合材料也稱為“CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics）”，是用樹脂（主要是環氧樹脂）將碳纖維固化而成的復合材料。作為一種輕且堅固、輕且堅硬的材料，被廣泛應用于體育產品、工業產品、飛機和汽車等領域。

 

 

圖 長纖維增強材料機械臂

 

       碳纖維在人形機器人中的應用主要在于機械臂，國內機構分析相關產品證明使用碳纖維復材制作的機械臂整體質量較鋁合金減輕 30%，臂架重心和震動均因此有所降低，有效提升了安全穩定性。

 

 

 

圖 碳纖維機器人手臂 來源：挪恩復材

 

       碳纖維應用于機器人輕量化結構材料，主要優勢體現在：

 

       （1）自重輕、能耗低，生產效率高，機械臂自重越輕，其運動慣量越小。碳纖維復合材料密度僅為鋼材的1/3，較鋁合金輕30%。

 

       （2）強度大、承載多，功能多樣化，碳纖維復合材料的比強度、比模量均比鋼高，其抗拉強度一般在3500MPa以上，是鋼的7-9倍。

 

       （3）蠕變小、精度高，碳纖維復合材料熱膨脹系數極低、蠕變小，能夠適應溫差較大的工作環境。

 

       （4）碳纖維復合材料具有良好的耐疲勞性，維護/更新頻率低。

 

 

 

       相關材料供應商：蘇州挪恩復材、博實碳纖維等。

 

       7、有機硅

 

       有機硅即有機硅化合物，是指含有 Si-C 鍵、且至少有一個有機基是直接與硅原子相連的化合物。具有柔軟親膚、耐高低溫、耐輻射、無毒無味、以及生物相容性和環境穩定性好等特點，一直在汽車、飛機、軍事技術、電子設備等領域發揮重要作用，在柔性電子器件、柔性機器人等領域的應用前景可觀。

 

       軟體機器人的手部通常需要能夠執行精細的操作，同時與人類安全互動，有機硅的柔韌性、透明性和生物相容性可以滿足材料使用需求。Soft Robotics 公司開發的軟體機器人手就是用硅膠制成的，可以用于包裝、裝配和食品加工等行業。

 

 

 

       相關材料供應商：埃肯有機硅、新安天玉等。

 

       8、熱塑性彈性體（TPE）

 

       長鴻高科在投資者互動平臺表示，公司主營產品 TPE 具備絕緣性好、材質輕、可回收利用、抗靜電等應用特點，且具有獨特的軟彈肉感和溫感性能，是較主流的仿生皮膚材料。目前市面上已有不少商家使用 TPE 材料生產仿生機器人的外殼皮膚，以及機器人手臂中的抗扭曲TPE低壓電力電纜。

 

       TPE 材質常溫下表現出橡膠的彈性，高溫下可塑化制成高分子材料，其力學性能與橡膠相似，并可按熱塑性塑料加工或再利用，具有醫療級的安全性。

 

 

 

       TPE 應用于人形機器人的優點：

 

       （1）易加工處理。適用于注塑、熱熔和溶膠等各種工藝，且制造周期較短，可以直接與各種塑料如 ABS 混合。

 

       （2）柔軟而接近皮膚的質地。TPE材料質感柔軟、容易染色、色調均勻、穩定性好。

 

       （3）優良的抗拉強度。TPE 伸長率可以達到十倍以上。

 

       相關材料供應商：長鴻高科、巴陵石化等。

 

       轉自——艾邦高分子公眾號

       

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