当机器人穿上 “新材料外衣”
在科技飞速发展的当下，人形机器人已不再是科幻作品中的专属，它们正逐步走进我们的现实生活，从工业制造到医疗护理，从家庭服务到教育娱乐，其身影无处不在。想象一下，未来的某一天，家中有个贴心的机器人助手，能帮忙打扫卫生、照顾老人孩子；工厂里，人形机器人高效地完成各种复杂任务，大幅提升生产效率；医院中，它们协助医生进行手术，为患者带来更精准的治疗…… 这样的场景似乎不再遥远。
而在人形机器人的发展进程中，核心材料起着举足轻重的作用，就如同骨骼和肌肉对于人类的重要性一般。核心材料是决定人形机器人性能、功能以及应用范围的关键因素，它们赋予机器人灵活的运动能力、强大的负载能力、良好的环境适应性以及长久的使用寿命 ，是机器人得以 “大显身手” 的物质基础。接下来，就让我们一同深入探索人形机器人背后那些至关重要的核心材料。
“钢铁侠” 的进化：特殊钢的华丽转身
（一）特殊钢是什么
特殊钢，并非一个陌生的概念，它是与普钢相对而言的。简单来说，特殊钢是指那些由于成分、结构、生产工艺特殊，从而具备特殊物理、化学性能或者特殊用途的钢铁产品 。与普通钢材相比，特殊钢就像是钢铁家族中的 “优等生”。从化学成分来看，普通钢材主要由碳、铁和少量的其他元素组成 ，而特殊钢则添加了更多的合金元素，如钼、锰、铬等 ，这些合金元素的加入，就如同给特殊钢注入了 “超能力”，使其拥有了更高的硬度、强度和耐磨性。
在制造工艺上，普通钢材通常通过常见的冶金工艺得到，如轧制、锻造和焊接等 ；而特殊钢则需要采用更为复杂的制造工艺，如精炼、调质、淬火和热处理等 。这些工艺能够使特殊钢达到更加精确的化学成分、组织结构和物理性能，以满足特殊领域的严格需求 。正是这些特殊之处，让特殊钢在众多领域中发挥着不可替代的作用。
（二）特殊钢在人形机器人中的关键作用
在人形机器人的制造中，特殊钢扮演着极为重要的角色，是零部件制造不可或缺的关键原材料。从用量上看，经测算，一台人形机器人对于 50CrMo4 合金钢、GCr15 轴承钢和 40Cr 合金钢这几种特殊钢的用量分别可达 7.7kg、7.7kg、1.4kg，特殊钢材料在一台人形机器人上的总用量为 16.8kg 。若按照远期 1000 万台的销量预估，特殊钢材料将开拓出高达 16.8 万吨的市场空间 ，这一庞大的用量和市场空间，足以彰显特殊钢在人形机器人产业中的重要地位。
从性能需求角度分析，人形机器人需要在各种复杂的环境下完成任务，这就要求其零部件具备高强度、高硬度、良好的耐磨性以及抗腐蚀能力等。特殊钢的优异物理化学性能，恰好能够满足这些需求。例如在机器人的关节部位，需要承受频繁的运动和较大的压力，特殊钢的高强度和耐磨性能够保证关节的长久稳定运行，减少磨损和故障的发生；在一些可能接触到腐蚀性物质的工作场景中，特殊钢的抗腐蚀能力则能确保机器人零部件的使用寿命，使其正常工作。
（三）特殊钢的应用实例
以特斯拉的 Optimus 人形机器人为例，虽然官方未详细披露其使用特殊钢的具体信息，但从人形机器人的结构和功能需求来推断，在其关键零部件中大概率会使用特殊钢。在 Optimus 的旋转执行器中，谐波减速器是重要组成部分，而谐波减速器的刚轮和柔轮可能会采用 50CrMo4 合金钢和 40Cr 合金钢。50CrMo4 合金钢的高强度和高硬度，能够保证刚轮在传动过程中稳定可靠，承受较大的扭矩；40Cr 合金钢较好的淬透性、回火稳定性和抗腐蚀能力，则能使柔轮在频繁的变形过程中保持良好的性能，延长使用寿命 。
再如国内一些人形机器人研发企业，在其产品中也充分运用了特殊钢。某企业在研发一款服务型人形机器人时，在机器人的腿部支撑结构中使用了 GCr15 轴承钢。由于服务型机器人需要频繁地移动和站立，腿部支撑结构要承受整个机器人的重量以及运动时产生的冲击力，GCr15 轴承钢的高耐磨性、高强度和良好的耐腐蚀性，使得腿部支撑结构能够稳定地工作，保证机器人的正常行动，同时也提高了机器人的整体可靠性和使用寿命 。
减重黑科技：PEEK 材料的神奇魔法
（一）PEEK 材料的独特性能
聚醚醚酮（PEEK），作为一种高性能的特种工程塑料，近年来在人形机器人领域崭露头角，成为实现机器人轻量化的关键材料。从化学结构上看，PEEK 是在主链结构中含有两个醚键和一个酮键的重复单元所构成的高聚物 ，这种独特的分子结构赋予了它诸多优异的性能。
PEEK 具有出色的耐高温性能，其熔点高达 343℃ ，玻璃化转变温度为 143℃ ，负载热变形温度可达 316℃ ，瞬时使用温度可达 300℃ ，这使得它在高温环境下依然能够保持良好的稳定性和机械性能，不会轻易软化或变形。在一些需要机器人在高温环境中工作的场景，如工业熔炉附近的作业、高温环境下的物流搬运等，PEEK 材料能够确保机器人正常运行，而不会因为温度的影响而出现故障。
PEEK 的机械性能也十分优异，它兼具刚性和柔性，在交变应力下的抗疲劳性表现突出，可与合金材料相媲美。其拉伸强度、弯曲强度和压缩强度都较高，能够承受较大的外力而不发生破裂或变形 。同时，PEEK 还具有良好的自润滑性，其摩擦系数较低，适合用于对摩擦和磨损要求严格的场合，这一特性使得机器人在运动过程中更加顺畅，减少了能量的损耗，也降低了零部件的磨损程度，延长了机器人的使用寿命。
在化学稳定性方面，PEEK 除了浓硫酸外，不溶于任何溶剂和强酸、强碱，而且具有出色的耐水解性，能够在各种化学环境下保持稳定，这为机器人在复杂的工作环境中提供了可靠的保障。在一些化学工业生产场景中，机器人可能会接触到各种腐蚀性的化学物质，PEEK 材料的耐腐蚀性能够确保机器人的零部件不被腐蚀，维持其正常的工作性能 。此外，PEEK 还具有良好的阻燃性，即使不加任何阻燃剂，也可达到 UL 标准的 94V - 0 级，这在一些对防火要求较高的场合，如室内服务型机器人、电子设备制造领域的机器人等，具有重要的意义。
（二）PEEK 助力人形机器人轻量化
在人形机器人的发展中，轻量化是一个重要的追求目标，而 PEEK 材料正是实现这一目标的理想选择。PEEK 材料的密度仅为 1.3g/cm³ ，约为铝合金密度的三分之一，与传统的金属材料相比，具有明显的轻量化优势。通过使用 PEEK 材料来制造人形机器人的零部件，可以显著减轻机器人的整体重量。
以特斯拉 Optimus - Gen2 人形机器人为例，该机器人通过使用 PEEK 材料，在不牺牲性能的情况下成功减重 10 公斤 。重量的减轻对于人形机器人来说意义重大。一方面，减轻重量可以减少机器人在运动过程中的能量损耗，提高能源利用效率。人形机器人的电池续航能力一直是制约其发展的一个重要因素，在电池技术尚未取得重大突破的情况下，降低机器人的能耗是提高续航能力的有效途径之一。PEEK 材料的应用使得机器人在完成相同任务时，消耗的能量更少，从而能够运行更长的时间，满足更多的工作需求。
另一方面，轻量化有助于提高机器人的负载能力和灵活性。较轻的机器人能够更轻松地搬运物体，在狭小的空间内也能更加灵活地移动和操作。在一些需要机器人进行精细操作的场景，如医疗手术辅助、电子产品组装等，机器人的灵活性至关重要，PEEK 材料带来的轻量化效果能够使机器人更好地完成这些任务，提高工作的准确性和效率。
（三）实际应用案例
特斯拉 Optimus - Gen2 人形机器人是 PEEK 材料在人形机器人领域应用的一个典型案例。在 Optimus - Gen2 中，PEEK 材料被广泛应用于多个关键部位。在机器人的关节部分，PEEK 材料的耐磨损性和耐腐蚀性发挥了重要作用。关节是机器人运动的关键部位，需要承受频繁的摩擦和各种外力，PEEK 材料的特性能够确保关节在长时间的运动过程中保持良好的性能，减少磨损和故障的发生，使机器人的动作更加流畅和稳定。
在机器人的肢体结构件方面，PEEK 材料的轻量化和高强度特性得到了充分体现。通过使用 PEEK 材料制造肢体结构件，Optimus - Gen2 不仅减轻了自身重量，还提高了肢体的强度和刚性，使其能够更好地完成各种动作，如行走、抓取物体等。同时，PEEK 材料的耐高温性能也使得机器人在不同的环境温度下都能正常工作，拓宽了其应用场景。除了特斯拉 Optimus - Gen2，国内一些人形机器人研发企业也开始关注并应用 PEEK 材料。例如，某企业在研发一款教育型人形机器人时，在机器人的外壳和部分内部结构件中使用了 PEEK 材料。PEEK 材料的使用使得机器人的外观更加精致，同时减轻了整体重量，方便携带和操作。在教育场景中，机器人需要经常移动和与学生互动，轻量化的设计使得机器人更加灵活，能够更好地适应不同的教学环境和活动需求。
轻盈与坚韧的融合：碳纤维的独特魅力
（一）碳纤维特性剖析
碳纤维，作为材料领域的 “明星”，是一种含碳量在 90% 以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料 。它的内部结构呈现出沿纤维轴方向排列的片状石墨微晶，这种独特的结构赋予了碳纤维一系列优异的性能。从密度方面来看，碳纤维的密度仅为 1.7 - 2.0g/cm³ ，约为钢材密度的四分之一，铝合金密度的二分之一 ，是一种典型的轻质材料，这使得它在对重量有严格要求的应用场景中具有显著优势。
在强度上，碳纤维却表现出惊人的实力，其拉伸强度一般在 3500MPa 以上 ，是钢的 7 - 9 倍，这意味着它能够承受巨大的拉力而不发生断裂。除了轻质高强，碳纤维还具备高刚度的特性，其弹性模量较高，能够在受力时保持较小的变形，为结构提供稳定的支撑。碳纤维的耐疲劳性能也十分出色，在承受多次交变载荷后，依然能保持良好的性能，不易出现疲劳损伤，这对于需要频繁运动的人形机器人部件来说至关重要。此外，碳纤维还具有良好的耐腐蚀和耐高温性能，能够在恶劣的化学环境和高温条件下稳定工作，其热膨胀系数低，在温度变化时尺寸稳定性好，能够保证机器人零部件的精度和可靠性 。
（二）碳纤维在人形机器人中的应用领域
在人形机器人中，碳纤维的应用范围十分广泛，为提升机器人的性能发挥了重要作用。在机械臂部分，碳纤维复合材料的应用能够显著减轻机械臂的重量，同时提高其强度和刚度。机械臂在工作时需要频繁地进行伸展、抓取等动作，对灵活性和负载能力要求较高。碳纤维的轻质高强特性使得机械臂在减轻自重的情况下，依然能够承受较大的负载，提高了运动的灵活性和效率，同时也降低了能耗。例如，使用碳纤维复合材料制造的机械臂，其整体质量可比铝合金机械臂减轻 30% 左右 ，臂架重心和震动也会相应降低，有效提升了机械臂的安全稳定性和操作精度 。
机器人的骨架是支撑整个机体的关键结构，对强度和重量有着严格的要求。碳纤维复合材料以其高强度和低密度的特点，成为制造机器人骨架的理想材料。采用碳纤维骨架能够在保证机器人结构强度的前提下，大幅减轻机器人的整体重量，使机器人更加灵活轻便。这不仅有助于提高机器人的运动性能，还能减少能源消耗，延长机器人的续航时间。在一些对机器人机动性要求较高的场景，如救援机器人在复杂地形中快速移动、服务机器人在狭窄空间内灵活穿梭等，碳纤维骨架的优势尤为明显 。
在人形机器人的关节部位，碳纤维同样有着出色的表现。关节是机器人运动的枢纽，需要承受频繁的扭转、弯曲等力，对材料的强度、耐疲劳性和耐磨性要求极高。碳纤维复合材料的高刚度和耐疲劳性能，能够保证关节在长期的复杂运动中保持良好的性能，减少磨损和故障的发生，提高机器人关节的使用寿命和可靠性。同时，碳纤维的轻质特性也有助于减轻关节的负担，使机器人的运动更加顺畅和灵活 。
（三）成功应用案例展示
宇树科技的人形机器人 H1 便是成功应用碳纤维材料的典型代表。H1 采用了航空铝材与碳纤维材料，在轻量化设计方面表现出色，成功将自身重量控制在 47 公斤，远低于同行普遍超过 60 公斤的水准 。这一创新不仅增强了机器人的续航能力，还保证了结构强度。由于重量的减轻，H1 在运动过程中消耗的能量更少，能够在一次充电后运行更长的时间，满足更多的工作需求。同时，碳纤维材料的高强度特性使得 H1 的结构更加稳固，能够承受更大的外力，在完成各种复杂动作时更加可靠 。
达闼机器人研制的最新人形双足机器人 XR4（又名 “七仙女” 小紫）也大量运用了碳纤维复合材料 。这款身高 165 厘米、体重 75 公斤的全尺寸双足机器人，通过采用碳纤维材料打造，具备了出色的性能。碳纤维的应用使得 XR4 在保证结构强度的同时，拥有了更好的运动灵活性。在实际应用中，XR4 能够凭借其灵活的运动能力，在工业制造、家庭养老和商业服务等多个领域发挥作用，如在工业制造中进行精准的操作，在家庭养老中协助老人进行日常活动，在商业服务中为顾客提供优质的服务等 。
其他材料的 “秘密武器”
（一）镁合金：轻量化新选择
镁合金，作为一种以镁为基础加入其他元素组成的合金 ，正逐渐在人形机器人领域崭露头角，成为实现轻量化的新选择。镁合金具有诸多独特的优势，首先，它的密度仅为 1.8g/cm³ 左右 ，约为铝的三分之二，铁的四分之一 ，是实用金属中最轻的金属之一 ，这使得它在减轻机器人重量方面具有巨大的潜力。
镁合金还具有较高的比强度和比刚度，在不减少零部件强度的前提下，能够有效减轻铝或铁零部件的重量，同时保持良好的结构稳定性 。其减震性能也十分出色，在受到冲击载荷时，镁合金吸收的能量比铝合金件大，能够有效减少震动和噪音，提高机器人的运行平稳性，这对于需要高精度操作的人形机器人来说至关重要。此外，镁合金还具备良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及可回收性，能够满足人形机器人在复杂电磁环境下的工作需求，并且符合环保理念 。
在人形机器人中，镁合金可以应用于多个部件。例如机器人的外壳，使用镁合金制造能够在减轻重量的同时，保证外壳的强度和刚性，保护内部的电子元件和机械结构；在机器人的关节部分，镁合金的轻量化和良好的减震性能，有助于减少关节的负担，提高关节的运动灵活性和寿命；镁合金还可用于制造机器人的一些内部结构件，如骨架等，进一步减轻机器人的整体重量，提升其运动性能 。
（二）钕铁硼磁材：动力之源
钕铁硼磁材，作为一种高性能的稀土永磁材料，在人形机器人的驱动系统中扮演着关键角色，堪称机器人的 “动力之源”。钕铁硼磁材具有高磁能积和高矫顽力的特点，这使得它能够产生强大的磁场，为机器人的伺服电机提供高效的动力支持。
在人形机器人中，伺服电机是实现机器人精确运动的核心部件之一，而钕铁硼磁材的应用能够显著提升伺服电机的性能。由于其高磁能积，钕铁硼磁材可以使电机在较小的体积和重量下，输出更大的扭矩和功率，从而提高机器人的运动效率和负载能力 。高矫顽力则保证了磁材在复杂的工作环境下，不易受到外界磁场的干扰，能够稳定地工作，确保机器人运动的准确性和可靠性 。
以金力永磁为例，该公司正积极配合世界知名客户的人形机器人用磁组件研发，并实现小批量交付 。其研发的钕铁硼磁材能够满足人形机器人对高精度、高一致性磁组件的需求，为机器人的驱动系统提供了优质的解决方案。随着人形机器人市场的不断发展，对高性能钕铁硼磁材的需求也将持续增长，钕铁硼磁材在人形机器人领域的应用前景十分广阔 。
（三）硅胶与仿生皮肤：赋予机器人真实触感
在追求机器人更加类人化的进程中，硅胶等材料在制造机器人仿生皮肤方面发挥着重要作用，为人形机器人赋予了真实的触感。硅胶是一种具有良好柔韧性和适应性的材料，它能够模仿人类皮肤的柔软质感，使机器人在与人类互动时更加自然和舒适 。
仿生皮肤是机器人感知系统的重要组成部分，通过使用硅胶等材料制造仿生皮肤，并在其中集成各种传感器，如压力传感器、温度传感器等，机器人能够感知外界的压力、温度等信息，实现触觉感知能力 。当机器人触摸物体时，仿生皮肤上的传感器会将感受到的压力信号转化为电信号，传递给机器人的控制系统，使机器人能够判断物体的形状、硬度等特征，从而做出相应的动作 。
不列颠哥伦比亚大学（UBC）和本田研究人员共同打造的 “机器人皮肤” 便是一个典型的例子 。该皮肤由智能新型软传感器打造，主要由硅胶构成，具备高度灵敏和可拉伸特性，能够实时反馈触摸力度，帮助机器人完成更加复杂的手部操作，如从桌子上拿起一个鸡蛋而不至于捏碎它 。这种仿生皮肤的出现，使得机器人在与人类的交互中更加智能和灵活，拓展了机器人的应用场景，如在医疗护理、家庭服务等领域，机器人能够更好地照顾患者和协助家庭成员完成日常任务 。
材料未来蓝图
特殊钢、PEEK 材料、碳纤维以及其他如镁合金、钕铁硼磁材、硅胶等材料，在人形机器人的发展中都扮演着不可或缺的角色。它们各自独特的性能优势，从不同方面满足了人形机器人对强度、重量、动力、触感等多方面的需求，共同推动着人形机器人技术的不断进步。
展望未来，随着科技的持续创新，人形机器人核心材料也将迎来更加广阔的发展空间。在特殊钢领域，预计会研发出性能更加优异、成本更低的新型特殊钢材料，以进一步满足人形机器人对零部件高性能和低成本的需求，拓展其在更多场景下的应用。PEEK 材料有望在生产工艺上取得突破，实现大规模、低成本生产，从而加速其在人形机器人领域的普及应用，推动机器人向更轻量化、高性能的方向发展。碳纤维材料也将不断优化性能，提高生产效率，降低生产成本，使其在人形机器人的机械臂、骨架、关节等关键部位得到更广泛的应用，提升机器人的整体性能。
其他材料也会不断演进。镁合金可能会在合金成分和制造工艺上进行创新，进一步提升其性能，扩大在人形机器人部件中的应用范围；钕铁硼磁材将朝着更高性能、更高稳定性的方向发展，为人形机器人的动力系统提供更强大的支持；硅胶等用于仿生皮肤的材料，将不断提升触感的真实度和感知的灵敏度，使人形机器人在与人类的交互中更加自然、智能 。
随着人形机器人市场的不断扩大，核心材料的市场需求也将持续增长，这将吸引更多的企业和科研机构投入到材料研发中，形成良性循环，加速材料技术的创新和进步。未来，人形机器人核心材料的发展将与机器人技术的创新相互促进，共同推动人形机器人产业迈向新的高度，让我们拭目以待这些神奇材料为我们带来更多的惊喜 。
本文作者可以追加内容哦 !
