Какую роль играют композиты из углеродного волокна в стремительной популярности гуманоидных роботов?

Tesla Optimus перемещается с ловкостью, а рука Walker от UBTech выполняет точные операции. За этими удивительными достижениями стоит загадочный материал, который на 30% легче алюминия и переопределяет пределы роботизированного движения.

Робот-гуманоид Optimus от Tesla выполняет передние сальто, оценка компании Figure AI превышает 39,5 миллиарда долларов, а гуманоид Zongqing Robotics может ходить со скоростью 7,2 километра в час с прямыми коленями... Индустрия гуманоидной робототехники ускоряется в сторону взрывного роста.

По прогнозам Goldman Sachs, рынок гуманоидных роботов может достичь 154 миллиардов долларов к 2035 году. Для достижения этого роботы должны преодолеть фундаментальное ограничение: чрезмерный собственный вес сильно снижает мобильность.

Революция легкого веса: прорывное достижение, обеспечивающее снижение массы на 30%

В области гуманоидной робототехники снижение веса — это не просто «похудение», а ключевой технологический прорыв, решающий значение для повышения производительности.

Хотя традиционные металлические материалы обладают достаточной прочностью, их высокая плотность делает их непригодными для удовлетворения насущной потребности в облегчении робототехники. Возьмём, к примеру, алюминиевый сплав: при плотности 2,63–2,85 г/см³ он примерно на две трети легче стали. Однако для гуманоидных роботов, стремящихся к предельным возможностям движения, этого всё ещё недостаточно.

Появление полимерного композитного материала, армированного углеродным волокном (CFRP), изменило эту ситуацию. Этот композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы, армированной углеродными волокнами, имеет плотность всего 1,5–2,0 г/см³. Он примерно на 30 % легче алюминиевых сплавов и при этом обладает более высокой удельной прочностью и удельным модулем.

Исследования отечественных институтов показывают, что роботизированные манипуляторы из композитов на основе углеродного волокна имеют на 30 % меньшую массу по сравнению с аналогами из алюминиевого сплава. Это позволяет роботам легче поднимать руки, выполнять более точные движения, снижать нагрузку на двигатели и увеличивать продолжительность работы.

Повышение производительности: Комплексные преимущества по сравнению с металлическими материалами

Композиты на основе углеродного волокна не только легче алюминия, но и обладают рядом комплексных преимуществ по сравнению с традиционными металлическими материалами.
Этот материал отличается высокой усталостной прочностью и способностью поглощать удары, выдерживая многократные воздействия и вибрации, неизбежные при движении роботов. Для человекоподобных роботов, предназначенных для длительной эксплуатации, данная характеристика имеет первостепенное значение.

Композиты из углеродного волокна обеспечивают высокую гибкость при проектировании, позволяя инженерам подбирать ориентацию волокон, формулировку смолы и методы слоения в зависимости от условий напряжения различных компонентов, достигая «точной настройки производительности».

Гуманоидные роботизированные руки UBTECH используют композиты из углеродного волокна, что не только снижает общий вес, но и повышает стабильность конструкции и точность движения. Этот материал позволяет роботам выполнять более сложные и тонкие задачи.

Что касается динамических характеристик, компоненты из композитов углеродного волокна обладают более низким центром тяжести и уменьшенной вибрацией. Это напрямую обеспечивает более плавное выполнение движений и повышенную точность управления.

Сценарий применения: Основной несущий компонент корпуса робота

В гуманоидных роботах композиты из углеродного волокна в основном используются в трех ключевых областях, каждая из которых имеет свои особые требования к характеристикам.

(1) Манипуляторы и руки являются наиболее распространенными применение компоненты. Эти компоненты должны выдерживать значительные нагрузки, сохраняя при этом высокую гибкость. Высокая удельная прочность и легкие свойства композитов из углеродного волокна делают их идеальным выбором для этой цели.

(2) Каркасная конструкция формирует несущий каркас робота. Этот участок требует исключительной жесткости и прочности, чтобы выдерживать общий вес корпуса и противостоять сложным напряжениям, возникающим при различных движениях. Композиты из углеродного волокна обеспечивают превосходное соотношение жесткости к массе, а также поглощают энергию удара во время движения.

(3) Компоненты сочленений являются опорными точками движения человекоподобного робота. Эти области подвергаются частому вращению и изменению нагрузки. Композиты из углеродного волокна обладают отличной износостойкостью и устойчивостью к усталости, значительно продлевая срок службы компонентов сочленений.

Конвергенция технологий: Синергетическое воздействие углеродного волокна

Композиты из углеродного волокна редко используются изолированно; чаще их комбинируют с другими высокопрочными материалами, чтобы создать синергетический эффект и обеспечить преимущество по принципу "1+1>2".

Материал на основе полиэфирэфиркетона, армированный углеродным волокном, является примером этого подхода. Данный композит сочетает прочность углеродного волокна со свойствами ПЭЭК, такими как износостойкость и способность к само-смазыванию, что делает его особенно подходящим для производства шестерён и подшипников роботизированных сочленений. Это снижает износ компонентов, одновременно уменьшая энергопотребление и уровень шума.

В сочетании с технологией электронной кожи композиты из углеродного волокна выполняют функцию подложки, обеспечивая стабильную основу для гибких датчиков. Такое сочетание позволяет роботам обладать как лёгким корпусом, так и чувствительностью кожи, аналогичной человеческой.

Композиты из углеродного волокна также могут синергетически использоваться вместе с традиционными металлическими материалами, такими как магниевые и алюминиевые сплавы. Путем выбора наиболее подходящих комбинаций материалов на основе характеристик напряжения различных компонентов достигается оптимизация общей производительности.

Расположение промышленной цепочки: возможности и вызовы для китайских предприятий

В Китае сложилась относительно комплексная структура промышленной цепочки в области композитов из углеродного волокна.

С быстрым развитием индустрии гуманоидной робототехники спрос на композиты из углеродного волокна быстро растет. В настоящее время применение этого материала сталкивается с такими трудностями, как высокая стоимость и сложность обработки. Однако с технологическим прогрессом и расширением серийного производства ожидается постепенное решение этих проблем.

Ходьба, прыжки, поднятие и манипуляции — каждое движение гуманоидных роботов представляет собой высшую проверку эксплуатационных характеристик материалов. Композиты из углеродного волокна благодаря исключительным эффектам облегчения и всесторонним преимуществам в производительности становятся незаменимыми для высокотехнологичных гуманоидных роботов.

Переходя от лабораторных исследований к коммерческому применению, темпы внедрения композитов из углеродного волокна в секторе гуманоидной робототехники быстро растут. Эта тенденция не только стимулирует скачок в производительности роботов, но и открывает новые перспективы для развития материаловедческой отрасли Китая.