中國粉體網訊 人形機器人作為前沿科技領域的重要方向，對結構重量、力學性能與運動靈活性有著嚴苛要求。傳統金屬材料雖在強度上具備優勢，但較高的密度易導致機器人整體重量過大，制約其動態性能與續航能力。復合材料憑借高比強度、高比剛度及可設計性強等特點，成為突破這一瓶頸的關鍵，尤其在輕量化設計與結構優化領域展現出顯著應用價值。
復合材料：輕量化與高性能的核心載體
實現人形機器人輕量化，核心在于在保證力學性能的前提下降低結構重量，材料的比強度（強度/密度）與比模量（模量/密度）是關鍵指標。
常用于人形機器人的復合材料與傳統材料性能比較 來源：《復合材料在人形機器人中的應用進展與趨勢》（熊健等）
纖維增強聚合物復合材料，如玻璃纖維增強聚合物復合材料（GFRP）、碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）和芳綸纖維增強聚合物復合材料（AFRP）等，具有高比強度和高比剛度，是典型的輕量化材料。采用纖維增強聚合物復合材料替代鋁合金的結構設計，一般可以實現30%以上的結構減重。例如，Lee等用碳纖維環氧復合材料制造人形機器人前臂與傳動軸，相比鋼材減重9-15公斤，大幅提升了機器人動態響應速度；Elasswad等通過3D打印技術，將纖維增強復合材料表皮與尼龍芯層結合，開發出HYDROID機器人的柔性腳，不僅減重70%（質量僅0.265kg），彎曲強度還提升3倍。
HYDROID機器人的柔性腳設計尺寸 來源：Elasswad.Development of a new deformable flexible active foot for hydroïd robot using 3D printing of composite
目前，波士頓動力Atlas、本田ASIMO、宇樹科技Walker等主流人形機器人，均已在外殼、骨架或承重結構中規模化應用碳纖維復合材料，其整機重量較全金屬設計降低15%-25%，運動靈活性與耐久性顯著提升，可適應復雜地形行走、肢體協同作業等多樣化場景。
特種工程塑料聚醚醚酮（PEEK）則在中高端場景中展現出替代金屬的潛力。PEEK兼具耐高溫、耐磨、自潤滑與耐腐蝕性，其復合材料進一步強化了力學性能。特斯拉Optimus Gen-2機器人通過采用碳纖維增強PEEK復合材料，實現減重10公斤，行走速度提升30%；由PEEK制造的齒輪、軸承與骨骼部件，既能滿足結構承重需求，又能減少運動摩擦損耗，適配機器人長期高頻運行。
PEEK材料可應用部位 來源：特斯拉，民生證券研究院
結構優化：進一步釋放輕量化潛力
除材料創新外，結構優化設計是實現輕量化的另一核心路徑，通過算法模擬結構受力分布，優化材料空間布局。Albers等針對ARMAR III機器人胸腔支撐結構，提出“基礎拓撲優化+動態耦合效應拓撲優化”的雙階段方法，基于復合材料設計出重量僅2.7公斤的高剛度結構，較傳統金屬結構減重40%；Junk等將拓撲優化與增材制造結合，應用于人形機器人骨盆模塊，在提升結構剛度的同時實現46%的減重，有效降低了機器人下半身運動負荷。
胸腔支撐結構優化 來源：Albers.Methods for Lightweight Design of Mechanical Components in Humanoid Robots
總結與展望
復合材料已成為推動人形機器人輕量化與高性能化的核心材料，其應用覆蓋從外殼、骨架到傳動部件、驅動組件的全結構體系。纖維增強聚合物復合材料憑借高比強度特性實現大幅減重，PEEK等特種工程塑料拓展了中高端場景應用，而拓撲優化與集成化設計則進一步釋放了材料潛力，使機器人在減重的同時，動態性能、耐久性與功能適配性均得到提升。
未來，隨著復合材料低成本制造技術（如高效3D打印、自動化成型）的突破，以及多材料協同設計（如復合材料與金屬、彈性體的混合結構）的發展，人形機器人有望實現“更輕重量、更高性能、更低成本”的突破，為其從實驗室走向工業、家庭等實際應用場景奠定基礎。
參考來源:
熊健.復合材料在人形機器人中的應用進展與趨勢
Albers.Methods for Lightweight Design of Mechanical Components in Humanoid Robots
Elasswad.Development of a new deformable flexible active foot for hydroïd robot using 3D printing of composite
東吳證券《人形機器人輕量化：產業化前夕的進修課，應用為重——人形機器人深度研究系列九》
(中國粉體網編輯整理/月明)
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