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人形機器人新材料是構建本體高性能的關鍵支撐，廣泛應用在機器人骨骼、外殼以及靈巧手等環(huán)節(jié)，全面影響機器人的運動能力、感知精度與交互體驗。 本文重點解析人形機器人三大核心材料：電子皮膚材料、腱繩材料和輕量化PEEK材料。 01 電子皮膚 人形機器人在感知外界環(huán)境時，主要依賴各類傳感器，包括力矩傳感器、柔性傳感器、MEMS傳感器等。 其中，柔性傳感器具有高度靈敏的觸覺反饋和多維度感知，能夠增強人形機器人的人機交互能力。 早期觸覺傳感器的研究主要聚焦于壓力和力的測量，通常被安裝在機器人的指尖，以測量多維力。在檢測接觸位置時存在一定的局限性，通常只能感知單一模態(tài)的信息，如力的大小和方向，而無法感知溫度和紋理等其他信息。 與早期的單模態(tài)觸覺傳感器相比，電子皮膚作為傳感器的升級版本，通過集成多個傳感單元，實現(xiàn)了對多種感知信息的同時獲取。 電子皮膚作為機器人感知的“神經(jīng)末梢”，能夠通過觸覺單元的陣列與集成，模仿人類皮膚力矩和觸覺等多種感知，因此更加接近人類皮膚的功能，且主要置于機器人的手部、手臂等多個部位。  柔性電子皮膚材料 柔性電子皮膚先進材料具備仿生性和柔彈，主要由基底材料、電極材料、功能層材料構成。 基底材質：決定傳感器的彈性形變性，主要應用在柔性傳感電路集成作為柔性襯墊，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI)和聚酯(PET)等高分子薄膜材料等。 相關基底材料國內代表廠商中，漢威科技的柔性電子皮膚采用先進的微納加工技術，以柔性材料為基底，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯醇（PVA）等，使傳感器超薄（厚度小于0.3mm）、超柔韌（可反復彎曲100萬次仍保持良好性能）；祥源新材研發(fā)的PI基超薄柔性基材，其厚度僅3微米，彎曲半徑小于1毫米時仍能保持98%的導電穩(wěn)定性。 電極材料：負責傳輸電信號。 功能層材料：將外部的力、溫度、濕度等物理量轉化為電信號。  目前電子皮膚在成本和感知性能上依然有較大提升空間。 在材料層面，電子皮膚的難點包括需要具有類似組織的機械性能及在生理環(huán)境中的優(yōu)異穩(wěn)定性。 在應用層面，柔軟的電子皮膚需要感官信息的仿生編碼和設備生物界面的神經(jīng)形態(tài)驅動，以實現(xiàn)自然感覺和低功耗。 從實際應用案例來看，特斯拉公布的第一代機器人沒有觸覺，第二代機器人指尖集成了觸覺傳感器，去年智遠、小鵬發(fā)布新的機器人型號都集成了觸覺傳感器。 長期來看，倘若柔性傳感器遍布全身，產(chǎn)業(yè)價值有望達到機器人總體價值量的10%左右。 特斯拉機器人使用interlink產(chǎn)品，interlink產(chǎn)品預計是壓阻式，或有望成為長期主流路徑。 國內方面，與特斯拉技術路線一致的布局的部分廠商包括漢威科技子公司蘇州能斯達研發(fā)的柔性納米仿生電子皮膚包含了壓阻式技術；福萊新材已建成柔性傳感器中試線；德爾未來與高校聯(lián)合開發(fā)自供電透明E-skin，解決傳統(tǒng)傳感器剛性問題；祥源新材生產(chǎn)的發(fā)泡材料可作為傳感器的壓電功能層，實現(xiàn)壓力和震動的感知，在實驗室技術層面驗證了壓阻式傳感方案的可行性；申昊科技已形成接近式、預接觸式、接觸式、指壓式四大基礎產(chǎn)品矩陣；天奈科技碳納米管電子皮膚與國內知名科研院所合作；沃特股份在導電水凝膠等柔性電子皮膚電極材料方面有研發(fā)和生產(chǎn)優(yōu)勢。 柔宇科技、鈦深科技、帕西尼感知、奧迪威、蘇試試驗、埔慧科技、慧聞科技、弘信電子、墨現(xiàn)科技、力感科技、中科納芯、日盈電子、安利股份等多家廠商在柔性觸覺傳感器等都有相關布局。 02腱繩人形機器人靈巧手傳動方式包括腱傳動、絲杠傳動、連桿傳動等。 特斯拉計劃2025年生產(chǎn)數(shù)千臺Optimus機器人，靈巧手采用腱傳動方案；1X推出新一代家用機器人NeoGamma采用腱傳動方案，且除靈巧手以外可用于更多關節(jié)領域。 腱傳動具有高靈活性、結構緊湊等優(yōu)勢。 腱繩是腱傳動核心組成部分，作用為連接和固定，從而實現(xiàn)動力傳遞，對執(zhí)行精度起到?jīng)Q定作用。 腱繩是模仿生物肌腱功能的仿生驅動技術，主要用于實現(xiàn)機器人的柔性運動、精準控制和能量傳遞。 腱繩方案的手從結構上來說是最接近人類驅動機制的。 采用腱繩方案的靈巧手驅動器一般布置于前臂，并通過腱繩連接到關節(jié)以傳遞驅動力。 其最大的優(yōu)勢就是靈活性：腱繩方案可以輕松實現(xiàn)20個以上的自由度。 腱繩缺點也比較明顯，比如肌腱需要穿過關節(jié)旋轉軸的結構或特殊的肌腱連接結構，裝配維護的復雜性較高；在長時間工作中容易產(chǎn)生斷裂和蠕變；由于摩擦增加而降低驅動效率，也增加了控制的難度。  海外企業(yè)更青睞腱繩方案，以追求高靈活性。比如特斯拉機器人新一代靈巧手采用腱繩方案可以做到22個自由度，高度靈活擬人。 新一代靈巧手使用了行星齒輪箱+絲杠+腱繩結構，其中腱繩是關鍵的傳動材料。 傳統(tǒng)的腱繩纏繞方式是腱繩（見右圖416）纏繞在兩個關節(jié)軸承（右圖406、414）上，為了避免斷裂，腱繩的彎曲半徑會設計比較小，從而限制單根手指的運動范圍。 特斯拉靈巧手地專利提供創(chuàng)新型的腱繩布線方法。 腱繩繞關節(jié)布線示例：  資料來源：特斯拉專利 腱繩材料 腱繩通常由高強度材料制成，如超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）或鋼絲繩。 腱繩材料的選擇取決于應用場景，C端人形機器人選用超高分子材料，B端冶煉領域等領域選擇耐高溫材料，如芳綸等。 超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE） UHMWPE又稱高強高模聚乙烯纖維，是目前工業(yè)化高性能纖維材料中比強度和比模量最高的纖維。其分子量在100萬以上，具有強度高和韌性好等特性。 在機器人應用領域中，UHMWPE纖維主要用于靈巧手和動力傳動系統(tǒng)中，能夠滿足機器人靈巧手動力傳動對材料輕量化和耐用性的高要求。 國內該領域相關布局廠商中，公開資料顯示，南山智尚超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品強度覆蓋26cN/dtex至42cN/dtex，可生產(chǎn)100D-2400D、26cN/dtex-42cN/dtex等不同規(guī)格的產(chǎn)品，擁有超高分子量聚乙烯纖維3600噸產(chǎn)能，12條生產(chǎn)線，位居行業(yè)第一梯隊；恒輝安防作為國內安防手套的領軍企業(yè)同時也涉足超高分子量聚乙烯纖維領域，正在推進UHMWPE纖維在腱繩材料方面的研發(fā)測試及前沿應用；同益中擁有超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈布局，產(chǎn)品包括超高分子量聚乙烯纖維及其復合材料；云中馬通過戰(zhàn)略投資中璽新材切入超高分子量聚乙烯UHMWPE賽道。 根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈下游反饋，三月份起很多公司不再使用鋼繩，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）仍是目前腱繩的主流方案之一。這一變化源于UHMWPE纖維相比鋼繩在機器人腱繩應用中更具優(yōu)勢。  03輕量化材料：PEEK材料輕量化是當前人形機器人主流主機廠正在發(fā)力的方向。 輕量化材料主要對應人形機器人的輕量化需求，常用的輕量化材料包括鎂合金、鋁合金、碳纖維復合材料、工程塑料等。 特斯拉二代人形機器人在不犧牲性能的情況下減重10公斤，主要依靠的是一種輕量化材料：PEEK材料。 當前在“以塑代鋼”趨勢下，PEEK材料以其優(yōu)異性能有望在中高端應用中逐步取代金屬材料的使用。而為了解決PEEK低溫脆性問題，常用做法是PEEK與碳纖維復合。 PEEK材料在人形機器人的關節(jié)、四肢、軀體和四肢骨架等部位都有廣泛應用，當前正在成為人形機器人“輕量化”的核心解決方案。 關節(jié)和四肢： PEEK齒輪：應用于人形機器人的關節(jié)四肢等部位，提供穩(wěn)定的傳動和支撐。 PEEK軸承：應用于人形機器人的關節(jié)等位置，具有優(yōu)異的耐磨性和自潤滑性，能夠減少摩擦和磨損，提高機器人的使用壽命。 軀體和四肢骨架： PEEK骨架：應用于人形機器人的軀體和四肢，相比金屬材料，PEEK骨架能夠減重40%，同時保持足夠的強度和剛性，滿足機器人的負載和靈活性需求。 PEEK產(chǎn)業(yè)鏈PEEK屬于合成樹脂，產(chǎn)業(yè)鏈上游是化學原料和化學纖維制造行業(yè)，原材料主要包括氟酮（最關鍵）、對苯二酚、二苯砜和碳酸鈉等，添加劑包含碳纖維、玻璃纖維和PTFE；中游包括PEEK顆粒、PEEK粉末、PEEK增強顆粒等PEEK產(chǎn)品制造；下游為各類終端領域。 PEEK材料產(chǎn)業(yè)鏈圖示： 氟酮：上游原材料整體成本占比較高，其中氟酮成本占比過半。在全球范圍內除英國威格斯有部分自有產(chǎn)能以及印度有少許產(chǎn)能外，全球氟酮主要產(chǎn)能集中在我國的三家企業(yè)：新瀚新材，中欣氟材和營口興福。 添加劑（碳纖維、玻璃纖維、PTFE）：在復合增強類PEEK中占20%，在全部PEEK產(chǎn)品中僅占5%。玻璃纖維隨全球需求轉移至中國后，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)替代，目前碳纖維需求也正在往中國轉移。中國巨石、泰山玻纖等企業(yè)占據(jù)全球60%以上市場份額，完全實現(xiàn)國產(chǎn)替代；吉林化纖、寶旌系、上海石化、中復神鷹、中簡科技、恒神股份和光威復材等廠商引領碳纖維國產(chǎn)替代；東岳集團、巨化股份等企業(yè)產(chǎn)能全球領先，滿足PEEK改性需求。 中游：全球PEEK市場呈現(xiàn)“一超多強”的競爭格局。在PEEK樹脂研發(fā)成功后的近50年中，全球范圍內僅有英國威格斯、比利時索爾維、德國贏創(chuàng)、中研股份（中國）4家產(chǎn)能達到千噸級的企業(yè)。目前我國PEEK的研發(fā)集中在高校、科研院所和少數(shù)企業(yè)之中，主要產(chǎn)能集中在中研股份、浙江鵬孚隆、吉大特塑料等公司。近年來眾多廠商也加速在該領域布局。此外，根據(jù)公開資料顯示，恒勃股份、肇民科技、沃特股份、唯科科技、雙林股份、華密新材、南京聚隆、普利特、富春染織、國恩股份、會通股份、萬潤、同益股份、雙一科技、超捷股份、盛邦股份、金田股份、富恒新材、聚賽龍、明陽科技等廠商都已在PEEK賽道布局。 當前下游多領域需求跟進，人形機器人等新興領域對新材料需求強勁，產(chǎn)業(yè)趨勢也在在向高端化和精細化方向發(fā)展，同時國產(chǎn)成本優(yōu)勢也將帶動PEEK產(chǎn)品迎來新一輪增長，行業(yè)需求量有望持續(xù)提升。樂晴智庫精選 |
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