人形机器人常用的 8 种高分子材料
发布时间：2024-11-30
近年来，得益于生成式人工智能技术的突破性进展，人形机器人产业热度不断走高，包括华为、小米、腾讯、特斯拉、宇树科技等国内外科技企业纷纷入局加码相关赛道。
行业分析报告显示，2023 年，我国人形机器人产业进入爆发期，产业规模增长至 39.1 亿元，同比增长 85.7%；预计 2024 年、2025 年人形机器人产业将持续高速增长，2026 年中国人形机器人产业规模将突破 200 亿元。
机器人本体轻量化技术是目前研究的重点方向之一，能解决在紧密空间内的人与机器人的紧密协作、保证机器与人类一起协作工作时不会受到机器的伤害、提高机器人的机动灵活性等问题。
肢体骨骼是支撑人形机器人进行各种行动的基本框架，其应用场景包括外壳材料、脊椎、大臂、小臂、大腿、小腿等结构件，常用材料包括钢材、铝合金、镁合金、碳纤维、高分子材料等。在轻量化趋势下，“以塑代钢”也是人形机器人生产制造的热门话题，本文将为大家介绍8种人形机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 二代人形机器人，在不牺牲性能的情况下减重 10 公斤，并加快行走速度 30%，所依靠的是一种轻量化材料—— PEEK 材料。PEEK 是人形机器人生产制造的重要原材料之一。
PEEK 中文名聚醚醚酮，是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，属特种高分子材料，是综合性能和产品附加值最高的特种工程塑料。
PEEK 性能全面，在刚性方面优于绝大多数特种工程塑料，兼具韧性、机械性能，以及优异的耐热、耐磨、耐腐蚀性能。PEEK 比强度大、密度低。在满足强度要求的前提下，PEEK 可以大幅度减小材料本身的自重，成为实现轻量化的解决方案，工业领域“以塑代钢”应用空间广阔。
PEEK 可通过与碳纤维、玻纤等材料复合来提高材料的综合性能。借助于碳纤维很高的拉伸强度和弹性模量，碳纤维复合 PEEK 材料展现出更高的韧性、抗冲击性、比强度、热稳定性，适用于机器人机械臂、关节连杆等部位，在人形机器人领域潜在应用空间很大。
预计在人形机器人 1000 万台的需求下，使用 PEEK 实现轻量化将拉动 10.5 万吨的 PEEK 增量，带来 525 亿元的 PEEK 市场规模。
全球 PEEK 供应商包括威格斯、中研股份、浙江鹏孚隆、沃特股份、君华特塑、华密新材料、同益实业等。
2、聚酰胺（PA）
来自法国的 Ensta ParisTech 公司和 Flowers Lab 公司设计的机器人 Poppy，除马达和电子电路以外，所有零件都是 3D 打印的，采用的是选择性烧结（SLS）工艺，材料为聚酰胺（PA）。
尼龙（Nylon），中文名聚酰胺，英文名称 Polyamide（简称 PA），是分子主链上含有重复酰胺基团 —NHCO— 的热塑性树脂总称。产品应用广泛，几乎覆盖每一个领域，是五大工程塑料中应用最广的品种，密度低，机械强度、刚度、硬度、韧性高、耐老化性能好、机械减振能力好、良好的滑动性、优异的耐磨性、机械加工性能好、用于精密有效控制时、无蠕动现象、抗磨性能良好、尺寸稳定性好。缺点是吸水性强。
人形机器人主要应用的尼龙材料是 PA66、PPA。相关供应商包括：金发科技、艾曼斯、巴斯夫、赢创等。
3、PC/ABS
软银集团推出的人形机器人 NAO 主要材料为聚碳酸酯-ABS 塑料、聚酰胺和碳纤维增强热塑性塑料。
ABS 工程塑料即 PC+ABS（工程塑料合金），在化工业的中文名字叫塑料合金，之所以命名为 PC+ABS，是因为这种材料既具有 PC 树脂的优良耐热耐候性、尺寸稳定性和耐冲击性能，又具有 ABS 树脂优良的加工流动性。所以应用在薄壁及复杂形状制品，能保持其优异的性能，以及保持塑料与一种酯组成的材料的成型性。ABS 工程塑料最大的缺点就是质量重、导热性能欠佳。它的成型温度取于它们两者原料的之间温度，就是 240-265℃，温度太高 ABS 会分解，太低 PC 料的流动性不良。
科思创生产的模克隆®聚碳酸酯和拜本兰®（PC+ABS；PC+ASA 共混料）树脂可用于人形机器人制造。
4、聚苯硫醚（PPS）
聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，PPS）全称为聚苯基硫醚，是分子主链中带有苯硫基的热塑性树脂，是一种综合性能优异的特种工程塑料。
中科兴业为人形机器人推出 PPS 材料，相较金属或陶资材料而言，PPS 高分子复合材料减重可达 60%，综合成本更低。不屏蔽电磁信号，且具有良好的耐温性、电绝缘性、自阻燃以及耐磨性等，能够适用于各种要求的智能机器人应用。
应用领域：人体外骨骼（连接件、护板、动力中心壳体等）、齿轮、轴承件。
图源：中科兴业
相关材料供应商：中科兴业等。
5、液晶聚合物（LCP）
普通工业机器人，关节在 2-10 轴之间，而人形机器人关节数量预计在 40 个以上（特斯拉 Optimus 40 个），每一个关节都需要一台伺服电机，所以伺服电机是人形机器人的主要核心零部件之一。
机器人的伺服电机连接器等电子元器件中广泛使用特种工程塑料，尤其是 LCP 材料。LCP（Liquid Crystal Polymer）又称液晶聚合物，具有流动性好、尺寸稳定性好、耐高温、高频介电稳定性等优异性能，适用于精密元器件，是微型电机、高频信号连接器的最佳材料选择之一。
相关材料供应商：金发科技、沃特股份等。
6、碳纤维复合材料
碳纤维复合材料也称为“CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics）”，是用树脂（主要是环氧树脂）将碳纤维固化而成的复合材料。作为一种轻且坚固、轻且坚硬的材料，被广泛应用于体育产品、工业产品、飞机和汽车等领域。
图 长纤维增强材料机械臂
碳纤维在人形机器人中的应用主要在于机械臂，国内机构分析相关产品证明使用碳纤维复材制作的机械臂整体质量较铝合金减轻 30%，臂架重心和震动均因此有所降低，有效提升了安全稳定性。
图 碳纤维机器人手臂 来源：挪恩复材
碳纤维应用于机器人轻量化结构材料，主要优势体现在：
（1）自重轻、能耗低，生产效率高，机械臂自重越轻，其运动惯量越小。碳纤维复合材料密度仅为钢材的1/3，较铝合金轻30%。
（2）强度大、承载多，功能多样化，碳纤维复合材料的比强度、比模量均比钢高，其抗拉强度一般在3500MPa以上，是钢的7-9倍。
（3）蠕变小、精度高，碳纤维复合材料热膨胀系数极低、蠕变小，能够适应温差较大的工作环境。
（4）碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性，维护/更新频率低。
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相关材料供应商：苏州挪恩复材、博实碳纤维等。
7、有机硅
有机硅即有机硅化合物，是指含有 Si-C 键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物。具有柔软亲肤、耐高低温、耐辐射、无毒无味、以及生物相容性和环境稳定性好等特点，一直在汽车、飞机、军事技术、电子设备等领域发挥重要作用，在柔性电子器件、柔性机器人等领域的应用前景可观。
软体机器人的手部通常需要能够执行精细的操作，同时与人类安全互动，有机硅的柔韧性、透明性和生物相容性可以满足材料使用需求。Soft Robotics 公司开发的软体机器人手就是用硅胶制成的，可以用于包装、装配和食品加工等行业。
相关材料供应商：埃肯有机硅、新安天玉等。
8、热塑性弹性体（TPE）
长鸿高科在投资者互动平台表示，公司主营产品 TPE 具备绝缘性好、材质轻、可回收利用、抗静电等应用特点，且具有独特的软弹肉感和温感性能，是较主流的仿生皮肤材料。目前市面上已有不少商家使用 TPE 材料生产仿生机器人的外壳皮肤，以及机器人手臂中的抗扭曲TPE低压电力电缆。
TPE 材质常温下表现出橡胶的弹性，高温下可塑化制成高分子材料，其力学性能与橡胶相似，并可按热塑性塑料加工或再利用，具有医疗级的安全性。
TPE 应用于人形机器人的优点：
（1）易加工处理。适用于注塑、热熔和溶胶等各种工艺，且制造周期较短，可以直接与各种塑料如 ABS 混合。
（2）柔软而接近皮肤的质地。TPE材料质感柔软、容易染色、色调均匀、稳定性好。
（3）优良的抗拉强度。TPE 伸长率可以达到十倍以上。
相关材料供应商：长鸿高科、巴陵石化等。
转自——艾邦高分子公众号
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