کامپوزیت‌های فیبر کربن چه نقشی در محبوبیت انفجاری ربات‌های انسان‌نما ایفا می‌کنند؟

اُپتیموس تسلا با چابکی حرکت می‌کند، در حالی که بازوی والکر اُب‌تک عملیات ظریفی انجام می‌دهد. پشت این اقدامات شگفت‌انگیز، ماده‌ای مرموز که ۳۰٪ سبک‌تر از آلومینیوم است، مرزهای حرکت رباتیک را دوباره تعریف می‌کند.

ربات اپتیموس تسلا حرکات قافاز جلو را انجام می‌دهد، ارزش شرکت Figure AI از ۳۹٫۵ میلیارد دلار فراتر می‌رود و ربات انسان‌نما زونگ‌چینگ می‌تواند با زانوهای صاف با سرعت ۷٫۲ کیلومتر بر ساعت راه برود... صنعت ربات‌های انسان‌نما در حال شتاب‌گیری به سمت رشد انفجاری است.

گلدمن ساکس پیش‌بینی می‌کند که بازار ربات‌های انسان‌نما تا سال ۲۰۳۵ می‌تواند به ۱۵۴ میلیارد دلار برسد. برای دستیابی به این هدف، ربات‌ها باید یک محدودیت بنیادین را پشت سر بگذارند: وزن بسیار زیاد خود که عملکرد حرکتی را به شدت محدود می‌کند.

انقلاب سبک‌وزن: یک پیشرفت تحول‌آفرین با کاهش ۳۰ درصدی وزن

در حوزه ربات‌های انسان‌نما، کاهش وزن تنها موضوع «کم‌وزن‌تر شدن» نیست، بلکه یک پیشرفت فناوری اساسی است که برای بهبود عملکرد حیاتی محسوب می‌شود.

در حالی که مواد فلزی سنتی دارای استحکام کافی هستند، چگالی بالای آنها باعث می‌شود تا برای پاسخگویی به نیاز فوری در رباتیک سبک‌سازی مناسب نباشند. به عنوان مثال آلیاژ آلومینیوم: با چگالی 2.63 تا 2.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب، تقریباً دو سوم فولاد سبک‌تر است. اما برای ربات‌های انسان‌نما که به دنبال قابلیت‌های حرکتی شدید هستند، این همچنان کافی نیست.

ظهور پلیمر تقویت‌شده با الیاف کربن (CFRP) این عرصه را دگرگون کرده است. این ماده کامپوزیتی که از ماتریس رزینی تقویت‌شده با الیاف کربن تشکیل شده، دارای چگالی تنها 1.5 تا 2.0 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. این ماده تقریباً 30 درصد سبک‌تر از آلیاژهای آلومینیوم بوده و در عین حال استحکام ویژه و مدول ویژه بهتری دارد.

تحقیقات انجام‌شده توسط مراکز داخلی نشان می‌دهد که بازوی رباتیک ساخته‌شده از مواد کامپوزیتی فیبر کربن، در مقایسه با معادل آلومینیومی خود، ۳۰٪ کاهش در جرم کلی دارد. این امر به ربات‌ها امکان می‌دهد تا بازوها را با آسانی بیشتری بالا بیاورند، حرکات دقیق‌تری انجام دهند، بار موتور را کاهش دهند و طول عمر عملیاتی خود را افزایش دهند.

بهبود عملکرد: مزایای جامعی که از مواد فلزی پیشی می‌گیرد

کامپوزیت‌های فیبر کربن نه تنها سبک‌تر از آلومینیوم هستند، بلکه مزایای جامع متعددی نسبت به مواد فلزی سنتی ارائه می‌دهند.
این ماده مقاومت برجسته‌ای در برابر خستگی و جذب ضربه دارد و قادر است به ضربه‌ها و ارتعاشات مکرر حاصل از حرکت ربات‌ها مقاومت کند. برای ربات‌های انسان‌نما که نیازمند عملکرد طولانی‌مدت هستند، این ویژگی از اهمیت بالایی برخوردار است.

کامپوزیت‌های الیاف کربنی انعطاف‌پذیری طراحی بالایی ارائه می‌دهند و به مهندسان امکان می‌دهند تا جهت‌گیری الیاف، فرمولاسیون رزین و روش‌های لایه‌بندی را بر اساس شرایط تنش اجزای مختلف تنظیم کنند و به «سفارشی‌سازی دقیق عملکرد» دست یابند.

بازوهای رباتیک انسان‌نما شرکت UBTECH از کامپوزیت‌های الیاف کربنی استفاده می‌کنند که نه تنها وزن کلی را کاهش می‌دهد، بلکه پایداری ساختاری و دقت حرکتی را نیز بهبود می‌بخشد. این ماده به ربات‌ها امکان انجام وظایف پیچیده‌تر و دقیق‌تری را می‌دهد.

از نظر عملکرد دینامیکی، قطعات ساخته‌شده از کامپوزیت‌های الیاف کربنی دارای مرکز ثقل پایین‌تر و ارتعاش کمتری هستند. این موضوع مستقیماً به حرکت روان‌تر و دقت کنترلی بالاتر منجر می‌شود.

سناریوی کاربرد: جزء باربر اصلی بدن ربات

در ربات‌های انسان‌نما، کامپوزیت‌های الیاف کربنی عمدتاً در سه حوزه حیاتی به کار می‌روند که هر کدام نیازمندی‌های عملکردی متفاوتی دارند.

(1) دستکارها و بازوها رایج‌ترین مورد هستند کاربرد این قطعات باید بتوانند بارهای قابل توجهی را تحمل کنند و در عین حال انعطاف‌پذیری بالایی داشته باشند. مقاومت ویژه بالا و خواص سبکی کامپوزیت‌های الیاف کربن آن‌ها را به انتخابی ایده‌آل برای این منظور تبدیل می‌کند.

(2) ساختار اسکلتی چارچوب نگهدارنده ربات را تشکیل می‌دهد. این بخش نیازمند سفتی و استحکام استثنایی است تا بتواند وزن کلی بدن را تحمل کرده و در مقابل تنش‌های پیچیده ناشی از حرکات مختلف مقاومت کند. کامپوزیت‌های الیاف کربن نسبت سختی به وزن بسیار خوبی ارائه می‌دهند و همزمان انرژی ضربه را در حین حرکت جذب می‌کنند.

(3) قطعات مفصلی نقاط محوری حرکت ربات انسان‌نما را تشکیل می‌دهند. این نواحی در معرض چرخش‌های مکرر و تغییرات بار هستند. کامپوزیت‌های الیاف کربن مقاومت عالی در برابر سایش و خستگی از خود نشان می‌دهند و به طور قابل توجهی عمر مفید قطعات مفصلی را افزایش می‌دهند.

ادغام فناوری: اثرات هم‌افزایی الیاف کربن

کامپوزیت‌های فیبر کربن به ندرت به تنهایی استفاده می‌شوند؛ بلکه اغلب با سایر مواد پیشرفته ترکیب می‌شوند تا اثرات هم‌افزایی ایجاد شود و مزیت «1+12» را فراهم آورد.

ماده PEEK تقویت‌شده با فیبر کربن نمونه‌ای از این اصل است. این کامپوزیت، استحکام فیبر کربن را با مقاومت در برابر سایش و خواص خودروغن‌کاری PEEK ترکیب می‌کند و آن را به ماده‌ای بسیار مناسب برای تولید چرخ‌دنده‌ها و یاتاقان‌های مفصل ربات تبدیل می‌کند. این ماده باعث کاهش سایش قطعات، مصرف انرژی و سطح نویز می‌شود.

هنگامی که با فناوری پوست الکترونیکی ترکیب می‌شوند، کامپوزیت‌های فیبر کربن به عنوان لایه زیرین عمل می‌کنند و پشتیبانی پایداری برای حسگرهای انعطاف‌پذیر فراهم می‌آورند. این ترکیب به ربات‌ها امکان می‌دهد تا هم بدنه‌های سبک داشته باشند و هم حساسیت پوستی شبیه به انسان.

کامپوزیت‌های الیاف کربنی را می‌توان به صورت هم‌افزا با مواد فلزی سنتی مانند آلیاژهای منیزیم و آلومینیوم نیز استفاده کرد. با انتخاب ترکیب‌های مناسب مواد بر اساس ویژگی‌های تنش در قطعات مختلف، بهینه‌سازی عملکرد کلی دستیابی می‌یابد.

چیدمان زنجیره صنعتی: فرصت‌ها و چالش‌های پیش روی شرکت‌های چینی

چین در زمینه کامپوزیت‌های الیاف کربنی، چیدمان نسبتاً جامعی از زنجیره صنعتی ایجاد کرده است.

با توسعه سریع صنعت ربات‌های انسان‌نما، تقاضا برای کامپوزیت‌های الیاف کربنی به سرعت در حال افزایش است. در حال حاضر، استفاده از این ماده با چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالا و دشواری در فرآوری مواجه است. با این حال، با پیشرفت فناوری و تولید در مقیاس بزرگ، انتظار می‌رود این مسائل به تدریج حل شوند.

پیاده‌روی، پرش، بلند کردن و دستکاری — هر یک از حرکات ربات‌های انسان‌نما نمایانگر آزمونی نهایی از عملکرد مواد است. مواد کامپوزیتی کربن فایبر با اثرات برجسته سبک‌وزنی و مزایای جامع عملکردی خود، به بخشی ضروری برای ربات‌های انسان‌نما در سطح بالا تبدیل شده‌اند.

با انتقال از تحقیقات آزمایشگاهی به کاربردهای تجاری، نرخ نفوذ مواد کامپوزیتی کربن فایبر در بخش ربات‌های انسان‌نما به سرعت در حال افزایش است. این روند نه تنها پرشی در عملکرد ربات‌ها را رقم خواهد زد، بلکه فرصت‌های توسعه‌ای تازه‌ای را نیز برای صنعت مواد چین فراهم خواهد کرد.