Vai Trò Của Vật Liệu Composite Sợi Carbon Trong Sự Phổ Biến Bùng Nổ Của Robot Hình Người Là Gì?

Optimus của Tesla di chuyển linh hoạt, trong khi cánh tay Walker của UBTech thực hiện các thao tác khéo léo. Đằng sau những thành tựu đáng kinh ngạc này là một vật liệu bí ẩn nhẹ hơn nhôm tới 30%, đang định nghĩa lại giới hạn chuyển động của robot.

Robot Optimus của Tesla thực hiện các cú nhảy lộn người phía trước, định giá của Figure AI vượt quá 39,5 tỷ USD và robot hình người của Zongqing Robotics có thể đi với tốc độ 7,2 km/h với đầu gối duỗi thẳng... Ngành công nghiệp robot hình người đang tăng tốc hướng tới sự tăng trưởng bùng nổ.

Goldman Sachs dự báo thị trường robot hình người có thể đạt mức 154 tỷ USD vào năm 2035. Để đạt được điều này, các robot phải vượt qua một giới hạn cơ bản: trọng lượng bản thân quá lớn cản trở nghiêm trọng hiệu suất di chuyển.

Cách mạng nhẹ hóa: Bước tiến đột phá giúp giảm 30% trọng lượng

Trong lĩnh vực robot hình người, việc giảm trọng lượng không chỉ đơn thuần là 'giảm cân', mà là một đột phá công nghệ cốt lõi, đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất.

Mặc dù các vật liệu kim loại truyền thống có độ bền đủ tốt, nhưng mật độ cao của chúng khiến chúng không phù hợp để đáp ứng nhu cầu cấp bách về giảm trọng lượng trong robot. Lấy hợp kim nhôm làm ví dụ: với mật độ từ 2,63–2,85 g/cm³, nó nhẹ hơn khoảng hai phần ba so với thép. Tuy nhiên, đối với robot hình người theo đuổi khả năng chuyển động tối ưu, điều này vẫn còn chưa đủ.

Sự xuất hiện của polymer được gia cố bằng sợi carbon (CFRP) đã làm thay đổi bức tranh này. Vật liệu composite này, với nền nhựa được gia cố bằng sợi carbon, có mật độ chỉ khoảng 1,5–2,0 g/cm³. Nó nhẹ hơn khoảng 30% so với các hợp kim nhôm đồng thời sở hữu độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng vượt trội.

Nghiên cứu từ các cơ sở trong nước cho thấy tay robot được chế tạo từ vật liệu composite sợi carbon đạt giảm 30% về khối lượng tổng thể so với các loại hợp kim nhôm. Điều này giúp robot nâng tay dễ dàng hơn, thực hiện các chuyển động tinh vi hơn, giảm tải trọng động cơ và kéo dài thời gian hoạt động.

Tăng Cường Hiệu Năng: Lợi Thế Toàn Diện Vượt Trội So Với Vật Liệu Kim Loại

Vật liệu composite sợi carbon không chỉ nhẹ hơn nhôm mà còn mang lại nhiều lợi thế toàn diện vượt trội so với các vật liệu kim loại truyền thống.
Vật liệu này có khả năng chống mỏi và hấp thụ sốc xuất sắc, có thể chịu được các tác động lặp đi lặp lại và rung động vốn có trong chuyển động của robot. Đối với robot hình người yêu cầu vận hành lâu dài, đặc tính này vô cùng quan trọng.

Vật liệu composite sợi carbon mang lại độ linh hoạt cao trong thiết kế, cho phép các kỹ sư điều chỉnh hướng sợi, công thức nhựa và phương pháp xếp lớp tùy theo điều kiện chịu lực của các bộ phận khác nhau, đạt được "tùy chỉnh hiệu suất chính xác".

Cánh tay robot hình người của UBTECH sử dụng vật liệu composite sợi carbon, không chỉ giảm trọng lượng tổng thể mà còn tăng cường độ ổn định cấu trúc và độ chính xác chuyển động. Vật liệu này giúp robot thực hiện các nhiệm vụ phức tạp và tinh vi hơn.

Về hiệu suất động học, các bộ phận làm từ vật liệu composite sợi carbon có trọng tâm thấp hơn và giảm rung động. Điều này trực tiếp mang lại chuyển động mượt mà hơn và độ chính xác điều khiển cao hơn.

Tình huống ứng dụng: Bộ phận chịu lực chính của thân robot

Trong robot hình người, vật liệu composite sợi carbon chủ yếu được sử dụng ở ba khu vực quan trọng, mỗi khu vực có yêu cầu hiệu suất riêng biệt.

(1) Bộ gắp và cánh tay là nơi phổ biến nhất ứng dụng các thành phần này phải chịu được tải trọng lớn trong khi vẫn duy trì độ linh hoạt cao. Tính năng độ bền riêng cao và đặc tính nhẹ của vật liệu composite sợi carbon khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho mục đích này.

(2) Khung xương tạo thành khung đỡ cho robot. Phần này đòi hỏi độ cứng và độ bền vượt trội để chịu được toàn bộ trọng lượng cơ thể và chống lại các ứng suất phức tạp phát sinh từ các chuyển động khác nhau. Vật liệu composite sợi carbon mang lại tỷ lệ độ cứng trên khối lượng tuyệt vời đồng thời hấp thụ năng lượng va chạm trong quá trình chuyển động.

(3) Các bộ phận khớp tạo thành các điểm then chốt cho chuyển động của robot hình người. Những khu vực này phải chịu sự xoay thường xuyên và biến đổi tải trọng. Vật liệu composite sợi carbon thể hiện khả năng chống mài mòn và chống mỏi xuất sắc, góp phần kéo dài đáng kể tuổi thọ của các bộ phận khớp.

Hội tụ công nghệ: Hiệu ứng cộng hưởng của sợi carbon

Vật liệu composite sợi carbon hiếm khi được sử dụng độc lập; thường thì chúng được kết hợp với các vật liệu hiệu suất cao khác để tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, mang lại lợi thế "1+12".

Vật liệu PEEK gia cố sợi carbon là minh chứng tiêu biểu cho nguyên tắc này. Loại vật liệu composite này kết hợp độ bền của sợi carbon với khả năng chống mài mòn và tính tự bôi trơn của PEEK, làm cho nó đặc biệt phù hợp để sản xuất bánh răng và vòng bi khớp robot. Nó giúp giảm mài mòn linh kiện đồng thời hạ thấp mức tiêu thụ năng lượng và độ ồn.

Khi được tích hợp với công nghệ da điện tử, vật liệu composite sợi carbon đóng vai trò lớp nền, cung cấp giá đỡ ổn định cho các cảm biến linh hoạt. Sự kết hợp này cho phép robot sở hữu cả thân nhẹ và khả năng cảm nhận nhạy như da người.

Vật liệu composite sợi carbon cũng có thể được sử dụng kết hợp một cách hài hòa với các vật liệu kim loại truyền thống như hợp kim magie và nhôm. Bằng cách lựa chọn tổ hợp vật liệu phù hợp nhất dựa trên đặc tính chịu lực của các bộ phận khác nhau, hiệu suất tổng thể sẽ được tối ưu hóa.

Bố trí chuỗi công nghiệp: Cơ hội và thách thức đối với các doanh nghiệp Trung Quốc

Trung Quốc đã thiết lập một bố trí chuỗi công nghiệp tương đối toàn diện trong lĩnh vực vật liệu composite sợi carbon.

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp robot hình người, nhu cầu về vật liệu composite sợi carbon đang tăng trưởng mạnh mẽ. Hiện tại, việc ứng dụng vật liệu này vẫn đang đối mặt với những thách thức như chi phí cao và khó khăn trong gia công. Tuy nhiên, cùng với những tiến bộ công nghệ và sản xuất quy mô lớn, những vấn đề này dự kiến sẽ được giải quyết từng bước.

Đi bộ, nhảy, nâng, thao tác — mỗi chuyển động của robot hình người đều là phép thử tối hậu đối với hiệu suất vật liệu. Các vật liệu composite sợi carbon, với hiệu quả giảm trọng lượng vượt trội và những ưu điểm toàn diện về hiệu suất, đang trở nên không thể thiếu đối với các robot hình người cao cấp.

Chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng thương mại, tỷ lệ thâm nhập của các vật liệu composite sợi carbon trong lĩnh vực robot hình người đang tăng nhanh chóng. Xu hướng này không chỉ thúc đẩy bước tiến vượt bậc về hiệu suất robot mà còn mở ra những cơ hội phát triển mới cho ngành công nghiệp vật liệu của Trung Quốc.