Яку роль відіграють композити з вуглецевого волокна у феноменальному поширенні гуманоїдних роботів?

Tesla Optimus рухається з витонченою чіткістю, тоді як рука Walker від UBTech виконує точні операції. За цими дивовижними досягненнями стоїть таємнича речовина, на 30% легша за алюміній, яка переосмислює межі руху роботів.

Робот-гуманоїд Optimus від Tesla виконує перевороти вперед, вартість Figure AI перевищує 39,5 мільярда доларів, а гуманоїд Zongqing Robotics може рухатися зі швидкістю 7,2 кілометра на годину з прямими колінами... Галузь гуманоїдної робототехніки прискорюється до вибухового зростання.

Goldman Sachs прогнозує, що ринок гуманоїдних роботів може досягти 154 мільярдів доларів до 2035 року. Щоб досягти цього, роботам потрібно подолати фундаментальне обмеження: надмірна вага серйозно погіршує рухливість.

Революція легкості: Проривовий крок із зменшенням ваги на 30%

У галузі гуманоїдної робототехніки зменшення ваги — це не просто «схиляння», а ключовий технологічний прорив, що має вирішальне значення для покращення продуктивності.

Хоча традиційні металеві матеріали мають достатню міцність, їхня висока густина робить їх непридатними для задоволення нагальної потреби в зменшенні ваги роботів. Візьмемо, наприклад, алюмінієвий сплав: із густиною 2,63–2,85 г/см³ він приблизно на дві третини легший за сталь. Проте для гуманоїдних роботів, які прагнуть до екстремальних рухових можливостей, цього все ще недостатньо.

З'явлення полімерного композитного матеріалу, армованого вуглецевим волокном (CFRP), змінило цю ситуацію. Цей композитний матеріал, що має смолисту матрицю, армовану вуглецевими волокнами, має густину всього 1,5–2,0 г/см³. Він приблизно на 30 % легший за алюмінієві сплави, одночасно демонструючи вищу питому міцність і питомий модуль.

Дослідження вітчизняних установ показують, що роботизовані маніпулятори, виготовлені з композитів на основі вуглепластику, мають на 30% меншу загальну масу у порівнянні з аналогами з алюмінієвих сплавів. Це дозволяє роботам легше піднімати руки, виконувати більш точні рухи, зменшити навантаження на двигуни та подовжити термін автономної роботи.

Покращення продуктивності: комплексні переваги порівняно з металевими матеріалами

Композити з вуглепластику не лише легші за алюміній, а й мають низку комплексних переваг у порівнянні з традиційними металевими матеріалами.
Цей матеріал характеризується винятковою витривалістю до втоми та здатністю гасити удари, здатний витримувати багаторазові удари й вібрації, що властиві рухам робота. Для гуманоїдних роботів, які працюють тривалий час, ця характеристика є вирішальною.

Композити з вуглепластику забезпечують високу гнучкість у проектуванні, дозволяючи інженерам адаптувати орієнтацію волокон, склад смоли та способи шарування залежно від умов навантаження різних компонентів, досягаючи «точного налаштування продуктивності».

Гуманоїдні роботизовані руки UBTECH використовують композити з вуглепластику, що не лише зменшує загальну вагу, але й підвищує структурну стабільність та точність рухів. Цей матеріал дозволяє роботам виконувати більш складні та дрібні завдання.

З точки зору динамічних характеристик, компоненти з вуглепластику мають нижчий центр ваги та зменшені вібрації. Це безпосередньо забезпечує плавність виконання рухів і підвищену точність керування.

Сценарій застосування: Основний несучий елемент корпусу робота

У гуманоїдних роботах композити з вуглепластику використовуються переважно в трьох ключових областях, кожна з яких має окремі вимоги до продуктивності.

(1) Маніпулятори та руки є найпоширенішими застосування компоненти. Ці компоненти повинні витримувати значні навантаження, зберігаючи при цьому високу гнучкість. Висока питома міцність і легкість композитів із вуглецевого волокна роблять їх ідеальним вибором для цих цілей.

(2) Кісткова структура утворює несучий каркас робота. Ця частина вимагає надзвичайної жорсткості та міцності, щоб витримувати всю вагу тіла й опиратися складним напруженням під час різноманітних рухів. Композити з вуглецевого волокна забезпечують чудове співвідношення жорсткості до ваги, а також поглинають енергію ударів під час руху.

(3) Компоненти суглобів утворюють ключові точки руху людиноподібного робота. Ці ділянки піддаються частому обертанню та змінам навантаження. Композити з вуглецевого волокна мають відмінний опір зносу та втомі, значно подовжуючи термін служби компонентів суглобів.

Конвергенція технологій: Синергетичний ефект вуглецевого волокна

Композити з вуглепластику рідко використовуються ізольовано; частіше їх поєднують з іншими матеріалами підвищеної ефективності, щоб створити синергетичний ефект, забезпечуючи перевагу «1+1>2».

Матеріал на основі поліефірутеркетону, армований вуглепластиком, є прикладом цього принципу. Цей композит поєднує міцність вуглепластику з зносостійкістю PEEK та його властивостями самозмащення, що робить його особливо придатним для виготовлення шестерень і підшипників у роботизованих з'єднаннях. Це зменшує знос деталей, а також знижує енергоспоживання та рівень шуму.

У поєднанні з технологією електронної шкіри композити з вуглепластику виконують функцію підкладкового шару, забезпечуючи стабільну опору для гнучких сенсорів. Таке поєднання дозволяє роботам мати як легкі конструкції, так і чутливість шкіри, подібну до людської.

Композити з вуглепластику також можуть синергічно використовуватися разом із традиційними металевими матеріалами, такими як магнієві та алюмінієві сплави. Шляхом підбору найбільш відповідних комбінацій матеріалів на основі характеристик навантаження різних компонентів досягається оптимізація загальної продуктивності.

Розташування промислового ланцюга: можливості та виклики для китайських підприємств

У Китаї створено відносно повну структуру промислового ланцюга в галузі композитів з вуглепластику.

З бурхливим розвитком індустрії гуманоїдної робототехніки попит на композити з вуглепластику стрімко зростає. Наразі застосування цього матеріалу все ще стикається з такими викликами, як висока вартість та складність обробки. Однак завдяки технологічному прогресу та масштабуванню виробництва очікується поступове вирішення цих проблем.

Ходьба, стрибки, піднімання, маніпулювання — кожен рух гуманоїдних роботів є граничним випробуванням експлуатаційних характеристик матеріалів. Композити з вуглецевого волокна, завдяки своїм винятковим ефектам зменшення ваги та комплексним перевагам у продуктивності, стають незамінними для високопродуктивних гуманоїдних роботів.

Переходячи від досліджень в лабораторіях до комерційного застосування, швидко зростає рівень поширення композитів з вуглецевого волокна в сфері гуманоїдної робототехніки. Ця тенденція не лише сприятиме стрибковому зростанню продуктивності роботів, а й відкриє нові перспективи для розвитку матеріалової індустрії Китаю.