De PEEK a TPE: cómo los 9 mejores nuevos materiales químicos están dando forma al futuro de los robots humanoides

Con el rápido avance de la tecnología de inteligencia artificial, los robots humanoides están haciendo la transición de los conceptos de laboratorio a las realidades de comercialización. Desde el primer robot humanoide de tamaño completo, WABOT - 1, desarrollado en la Universidad Waseda de Tokio en 1967, hasta los modelos avanzados como el Optimus de Tesla y el Atlas de Boston Dynamics, los robots humanoides han logrado avances significativos en rendimiento, flexibilidad e inteligencia. Se anticipa que para 2030, el mercado mundial de robots humanoides superará la marca de billones de dólares, y esta industria emergente está experimentando un período dorado de crecimiento explosivo.

En el proceso de desarrollo de robots humanoides, la innovación de la tecnología de materiales ha jugado un papel crucial en su promoción.Los materiales metálicos tradicionales, debido a sus defectos inherentes como el peso pesado, el alto consumo de energía y la mala flexibilidad de movimiento, han restringido severamente la praticidad y la popularización de robots humanoides. La aparición de nuevos materiales de alta molécula y materiales compuestos ha proporcionado nuevas formas y soluciones para resolver estos problemas, convirtiéndose en la fuerza motriz central para el avance tecnológico de los robots humanoides.

Los datos de la investigación muestran que reemplazar las piezas metálicas con polímeros de alto rendimiento puede reducir el peso de los robots en más de un 30%, aumentar su velocidad de movimiento en un 15% -30% y reducir el consumo de energía en un 18% -25%. Estas mejoras significativas en el rendimiento hacen que los robots humanoides sean más eficientes, flexibles y ahorran energía en aplicaciones reales, sentando una base sólida para su uso generalizado en la producción industrial, servicios sociales, atención médica, compañía familiar y otros campos.

Este documento profundizará en nueve nuevos materiales químicos que juegan un papel crucial en el campo de los robots humanoides, analizando sus propiedades únicas, escenarios de aplicación y el impacto significativo que tienen en el desarrollo de la industria de robots humanoides. A través del estudio de estos materiales, podemos ver claramente que la innovación de nuevos materiales químicos no solo es una fuerza motriz clave para el progreso tecnológico de los robots humanoides, sino que también abrirá un amplio espacio para el desarrollo futuro de la industria de robots humanoides.

El "super sub" de los componentes estructurales: PEEK y PPS

En el diseño estructural de los robots humanoides, los cojinetes articulares y los componentes de enlace, como las articulaciones y los huesos del cuerpo humano, juegan un papel crucial en el soporte y la transmisión del movimiento, lo que exige estrictos requisitos de rendimiento de los materiales. Los materiales PEEK, con sus excelentes propiedades integrales, se han convertido en la elección ideal en este campo.

El PEEK es un polímero termoplástico de alto rendimiento con una excelente resistencia mecánica, que presenta una resistencia a la tracción de más de 90 MPa, lo que le permite mantener la estabilidad estructural bajo fuerzas externas significativas. Esto asegura que las articulaciones y los eslabones del robot no se deforman o dañen durante la ejecución de varios movimientos complejos. Además, el PEEK tiene una resistencia al calor extremadamente alta, con una temperatura de uso a largo plazo de hasta 260 ° C.„ƒ asegurando que su rendimiento no se vea afectado significativamente incluso en ambientes de alta temperatura. Esto es particularmente importante para algunos robots humanoides que necesitan operar bajo condiciones específicas. Además, el PEEK también tiene una buena resistencia a la corrosión química y autolubricidad, reduciendo efectivamente la fricción y el desgaste entre los componentes, extendiendo la vida útil y reduciendo los costos de mantenimiento.

El robot humanoide Optimus Gen2 de Tesla utiliza ampliamente material PEEK en su diseño, logrando con éxito una reducción de peso de 10 kilogramos mientras aumenta la velocidad de marcha en un 30%. Esta mejora significativa del rendimiento demuestra plenamente el enorme potencial del material PEEK para optimizar el rendimiento estructural de los robots humanoides. Mediante el uso de material PEEK para la fabricación de cojinetes de juntas y componentes de enlace, Optimus Gen2 no solo reduce su propio peso y reduce el consumo de energía, sino que también mejora la flexibilidad y la eficiencia de sus movimientos, lo que le permite realizar varias tareas de manera más ágil en aplicaciones prácticas.

Complementando los materiales PEEK es el sulfuro de polifenileno (PPS), que juega un papel indispensable en los componentes de transmisión de los robots humanoides. El PPS exhibe una excelente estabilidad dimensional, con cambios dimensionales mínimos bajo condiciones de temperatura y humedad variables, lo que garantiza que los engranajes, rodamientos y otros componentes de transmisión mantengan un ajuste preciso y una precisión durante su operación a largo plazo, garantizando la suavidad y la precisión de los movimientos del robot. Además, el PPS cuenta con una excelente resistencia química, resistente a una amplia gama de productos químicos, lo que garantiza que mantiene un buen rendimiento incluso en ambientes de trabajo difíciles, proporcionando una fuerte garantía para el funcionamiento confiable de los robots.

Suzhou Nappan proporcionó materiales de PPS para un conocido fabricante de robots, que se utilizan en el proyecto de componentes de articulación de robots. Los datos experimentales muestran que la pérdida de energía de la articulación del robot con rodamientos PPS se reduce en un 25%, y la vida útil se amplía en gran medida. Este caso demuestra plenamente las ventajas significativas de los materiales PPS en la mejora de la eficiencia y la fiabilidad del sistema de transmisión del robot. En aplicaciones prácticas, el uso de materiales PPS hace que el movimiento de la articulación del robot sea más suave, la transmisión de energía sea más eficiente y reduce la frecuencia de fallas causadas por la pérdida de energía y el desgaste de los componentes, mejorando la estabilidad general de la operación y la vida útil del robot.

En el campo de los materiales estructurales, el PEEK y el PPS, con sus ventajas de rendimiento únicas, se han convertido en materiales clave para la realización de robots humanoides ligeros y de alto rendimiento Su aplicación no solo mejora el rendimiento de movimiento y la eficiencia de trabajo de los robots, sino que también proporciona una garantía sólida para el funcionamiento estable de los robots en entornos complejos, promoviendo el desarrollo de la tecnología de robots humanoides a un nivel superior.

La "potencia" del sistema de movimiento: fibras de CFRP y UHMW-PE

En el sistema de movimiento de los robots humanoides, las estructuras de brazos y piernas robóticas requieren una alta resistencia y propiedades ligeras para lograr un movimiento eficiente y flexible. Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se han convertido en el material preferido en este campo debido a su excelente relación fuerza-peso, desempeñando un papel crucial en la mejora del rendimiento de movimiento de los robots.

El CFRP está compuesto por fibras de carbono y una matriz de resina, y tiene características significativas de baja densidad y alta resistencia a la tracción. Su densidad es sólo alrededor de un tercio de acero, sin embargo, puede alcanzar una resistencia a la tracción de más de 3500 MPa. Esta excelente relación fuerza-peso permite a CFPR reducir significativamente su propio peso, al tiempo que asegura que las estructuras mecánicas de los brazos y las piernas tienen suficiente resistencia y rigidez. En comparación con los materiales metálicos tradicionales, el uso de CFPR en la fabricación de estructuras mecánicas de brazos y piernas puede lograr una reducción de peso del 30% -60%, lo que reduce efectivamente el consumo de energía general de los robots y mejora la eficiencia de utilización de energía.

El robot Atlas de Boston Dynamics aprovecha plenamente las ventajas del CFRP en su diseño, con su estructura de piernas hecha de material CFRP, logrando con éxito movimientos de salto difíciles. Debido a las características ligeras del material CFRP, el robot Atlas puede mover sus piernas con mayor agilidad durante el movimiento, reduciendo el impacto de la inercia y logrando así un rendimiento de movimiento más flexible y eficiente. Además, el CFRP también tiene una buena resistencia a la fatiga, capaz de resistir las tensiones alternas generadas por el robot durante el movimiento frecuente, garantizando la confiabilidad y la estabilidad a largo plazo de la estructura de la pierna.

Además del CFRP, las fibras de polietileno de peso molecular ultra alto (UHMW-PE) han demostrado ventajas únicas en la aplicación de tendones para manos diestras en robots humanoides. Las fibras UHMW-PE poseen una resistencia ultra alta, que es 7 - 10 veces mayor que la del acero, mientras que también tienen un peso extremadamente ligero, con una densidad de solo aproximadamente 1 / 8 de la del acero. Esta combinación de alta resistencia y ligereza hace que las fibras UHMW-PE sean un material ideal para los tendones de las manos destrezas, lo que influye directamente en la precisión, estabilidad y flexibilidad del agarre.

En aplicaciones prácticas, la fibra UHMW-PE de Nanshan Zhishang se ha aplicado con éxito a múltiples sistemas de manos robóticas. Debido a la alta resistencia de la fibra UHMW-PE, la mano hábil puede resistir mayores fuerzas de tracción al sujetar objetos, asegurando la estabilidad del proceso de agarre y evitando que los objetos caigan. Al mismo tiempo, sus características ligeras hacen que los tendones sean más flexibles durante el movimiento, lo que les permite responder rápidamente a los comandos de control y lograr acciones de agarre precisas. Además, la fibra UHMW-PE también tiene una excelente resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, lo que puede mantener un buen rendimiento en un entorno de trabajo complejo, alargando la vida útil de los tendones de la mano y reduciendo los costos de mantenimiento.

En el sistema de movimiento de los robots humanoides, las fibras de CFRP y UHMW-PE juegan papeles insustituibles en las estructuras del brazo y la pierna robóticas y los tendones de la mano diestra, respectivamente. Su aplicación mejora significativamente el rendimiento de movimiento de los robots, lo que les permite exhibir una mayor eficiencia y flexibilidad en una variedad de tareas complejas, y proporciona un fuerte apoyo para la aplicación generalizada de robots humanoides en la producción industrial, el manejo logístico, las operaciones de rescate y otros campos.

Las "terminas neurales" de los sistemas electrónicos y de detección: LCP, PDMS y películas delgadas PI

En los sistemas electrónicos y de detección de robots humanoides, los polímeros de cristal líquido (LCP) se han convertido en materiales clave para componentes electrónicos de precisión, como conectores de señal de alta frecuencia debido a sus excelentes propiedades dieléctricas y estabilidad dimensional, proporcionando un soporte confiable para la transmisión de señal y el control electrónico en robots humanoides.

LCP es un material polimérico de alto rendimiento con un estado de cristal líquido, que tiene ventajas únicas en el campo de la transmisión de señal de alta frecuencia. Su constante dieléctrica baja y estable puede reducir efectivamente la pérdida y la distorsión de la señal durante la transmisión en un entorno de alta frecuencia, asegurando la transmisión rápida y precisa de las señales. Esta característica es crucial para los robots humanoides, ya que deben procesar una gran cantidad de datos de sensores y señales de control en tiempo real durante la operación. La transmisión de señal estable y de alta velocidad es la base para garantizar que los robots puedan responder rápidamente y ejecutar tareas de manera precisa.

Por ejemplo, el robot humanoide Unitree H1 de Yutree Technology utiliza materiales LCP en su diseño para componentes electrónicos de precisión como conectores de señal de alta frecuencia. En la operación real, los materiales de LCP garantizan que varias señales electrónicas se puedan transmitir de manera estable y rápida en un entorno complejo de alta precisión y alta frecuencia, lo que permite que las articulaciones y los sensores del robot reciban y retroalimenten información de manera oportuna, logrando así un control preciso y una operación eficiente del robot.

Al mismo tiempo, el LCP también tiene una excelente estabilidad dimensional, con mínimos cambios dimensionales bajo diferentes temperaturas y humedades. Esta característica asegura que los componentes electrónicos de precisión mantengan una precisión de montaje precisa durante su uso a largo plazo, evitando fallas de transmisión de señal causadas por cambios dimensionales y mejorando la fiabilidad y estabilidad de los sistemas electrónicos.

En el campo de la percepción de los robots humanoides, las películas de polidimetilsiloxano (PDMS) y poliimida (PI) constituyen los materiales centrales de la piel electrónica, dotando a los robots con agudas capacidades de percepción ambiental, lo que les permite sentir los cambios en su entorno como los humanos.

PDMS es un material de caucho de silicona transparente, suave y biocompatible con una excelente flexibilidad, una elongación a la tracción de > 100% y puede simular bien el tacto suave de la piel humana. Sus características de modificación de la superficie facilitan la integración con sensores y permiten al robot detectar cantidades físicas como la temperatura y la presión. El sensor flexible desarrollado por Hanwei Technology basado en PDMS ha logrado una detección de alta sensibilidad de 0,1 kPa y puede detectar con precisión los cambios sutiles de presión del mundo exterior. Cuando el robot realiza una tarea, a través de este sensor de alta sensibilidad, puede detectar el tamaño y la distribución de la presión cuando entra en contacto con el objeto, logrando así movimientos de agarre más precisos y suaves para evitar daños al objeto.

La película PI, por otro lado, exhibe alta resistencia a la temperatura, alta resistencia mecánica, flexibilidad, aislamiento y estabilidad química. En la piel electrónica, la película PI sirve como un material de sustrato, proporcionando una estructura de soporte estable para los sensores. Su excelente flexibilidad permite que la piel electrónica se adhiera a la superficie de los robots, doblándose y deformándose con los movimientos del robot sin afectar el rendimiento de los sensores. El producto uSkin de XELA Robotics de Japón utiliza película PI para lograr la percepción ambiental multimodal, integrando varios tipos de sensores para permitir a los robots detectar la temperatura, la humedad, el tacto y otra información ambiental, lo que les permite responder de manera más inteligente en entornos complejos.

En los sistemas electrónicos y de detección de los robots humanoides, las películas LCP, PDMS y PI juegan un papel crucial en la transmisión de señales y la percepción ambiental, respectivamente. Su aplicación mejora significativamente la precisión del control electrónico y la capacidad de percepción ambiental de los robots, lo que les permite percibir la información externa de manera más precisa, tomar decisiones rápidas y razonables y proporcionar un apoyo importante para promover el desarrollo de robots humanoides en los campos de la interacción inteligente y los robots de servicio.

Caja y piel biónica "capa flexible": PA, PC-ABS y TPE

En el diseño de robots humanoides, el material de la carcasa no solo debe tener un buen rendimiento de mecanizado y resistencia mecánica para proteger los componentes electrónicos de precisión interna y las estructuras mecánicas, sino que también debe considerar la seguridad y la comodidad al interactuar con los seres humanos. La poliamida (PA), comúnmente conocida como nylon, se ha utilizado ampliamente en la fabricación de conchas de robots humanoides debido a sus ventajas únicas de rendimiento.

El PA es un plástico termoplástico con excelentes propiedades mecánicas, que presenta una alta resistencia a la tracción y la capacidad de resistir un cierto grado de impacto externo, proporcionando una protección fiable para los componentes internos del robot. Al mismo tiempo, el PA tiene una buena resistencia al desgaste, lo que garantiza que la superficie de la carcasa no se dañe fácilmente por el desgaste y los arañazos, manteniendo la integridad de la apariencia del robot incluso durante el uso frecuente y el contacto con objetos externos.

Además, el PA también tiene una buena estabilidad química, capaz de resistir la corrosión de los productos químicos comunes y adaptarse a diferentes entornos de trabajo. Por ejemplo, el robot casero Neo Gamma de la compañía noruega 1X Technologies utiliza un material de nylon tejido para su carcasa. Este material no solo tiene las ventajas anteriores de los materiales PA, sino que también mejora la seguridad del robot. La estructura tejida permite a la carcasa dispersar la energía cuando se somete a impactos de fuerza externa, reduciendo el daño a la estructura interna. Al mismo tiempo, la cáscara de nylon da una apariencia amigable, lo que lo hace más adecuado para vivir e interactuar con los humanos en un entorno doméstico.

Los materiales complementarios de PA son plásticos de ingeniería PC-ABS, que también ocupan una posición significativa en la fabricación de conchas de robots humanoides. PC-ABS es un material de aleación compuesto por policarbonato (PC) y acrilonitrilo.† adieno-estireno (ABS), que combina la alta resistencia mecánica, resistencia al calor de PC y la facilidad de procesamiento, resistencia al impacto de ABS. Este material es particularmente adecuado para la fabricación de estructuras complejas de robots de paredes delgadas, cumpliendo con los requisitos de diseño diversificados de conchas de robots humanoides.

El robot NAO de SoftBank usa plástico de ingeniería PC-ABS como material principal para su carcasa. La facilidad de procesamiento de los materiales PC-ABS permite que el robot NAO logre un diseño exterior complejo, mientras que su alta resistencia mecánica y resistencia al impacto aseguran que el robot pueda resistir ciertas colisiones y caídas en el uso diario sin dañarse fácilmente. Además, los materiales de PC-ABS tienen excelentes propiedades de moldeo, que pueden producir de manera eficiente piezas de concha de alta precisión a través de tecnologías de procesamiento como el moldeo por inyección, reduciendo los costos de producción y mejorando la eficiencia de producción.

En el campo de la piel biónica y las piezas de amortiguación de las articulaciones, los elastómeros termoplásticos (TPE) han demostrado ventajas únicas, convirtiéndose en un material clave para lograr la flexibilidad y el movimiento natural del robot. El TPE combina la elasticidad del caucho y la procesabilidad del plástico, con características como la suavidad, la resistencia al desgaste y la resistencia al impacto. En la aplicación de la piel biónica, el TPE puede simular el tacto y la apariencia de la piel humana, lo que hace que el robot sea más natural y cómodo cuando está en contacto con los seres humanos. Su buen aislamiento y características ligeras no solo garantizan el funcionamiento seguro del robot, sino que también reducen el peso general del robot.

Al mismo tiempo, el TPE tiene una sensación de carne suave y rebotante única y propiedades sensibles a la temperatura, que pueden hacer que los humanos sientan un toque más realista al tocar robots. En las piezas de amortiguación de la junta, la elasticidad y la deformabilidad del TPE pueden desempeñar un buen papel en la amortiguación y la absorción de choques. Cuando las articulaciones del robot se mueven, el material de TPE puede reducir la fricción y el desgaste entre las articulaciones, reducir el ruido mecánico y extender la vida útil de las articulaciones. Además, la existencia de TPE hace que los movimientos del robot sean más flexibles, naturales y suaves, más cerca de los patrones de movimiento humano.

Aunque actualmente el TPE está limitado en su aplicación para pieles exteriores robóticas debido a las limitaciones de costo, su potencial para un uso generalizado es vasto a medida que la tecnología continúa avanzando y los costos disminuyen. Por ejemplo, se espera que el futuro robot Atlas utilice materiales de TPE en sus articulaciones flexibles, mejorando aún más su rendimiento de movimiento y la experiencia de interacción humano-robot.

En el campo de las conchas de robots humanoides y las pieles biónicas, los materiales PA, PC-ABS y TPE desempeñan un papel único. Sus aplicaciones no solo mejoran la seguridad, la comodidad y la diversidad del diseño de apariencia de los robots, sino que también proporcionan un apoyo importante para que los robots humanoides logren movimientos más naturales y flexibles y las interacciones hombre-máquina, promoviendo la aplicación y el desarrollo de robots humanoides en campos estrechamente relacionados, como los servicios familiares y la atención médica.

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