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人形機器人中鎂材料的應(yīng)用與前景分析

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人形機器人的發(fā)展源遠流長,其早期發(fā)展可回溯至20世紀60年代至90年代。在這一時期,技術(shù)的持續(xù)進步極大地提升了機器人的認知能力。從最初僅能執(zhí)行簡單、刻板的動作,逐漸發(fā)展到能夠獨立且穩(wěn)定地完成復(fù)雜動作,這一轉(zhuǎn)變堪稱具有里程碑意義。與此同時,人工智能(AI)技術(shù)

人形機器人的發(fā)展源遠流長,其早期發(fā)展可回溯至20世紀60年代至90年代。在這一時期,技術(shù)的持續(xù)進步極大地提升了機器人的認知能力。從最初僅能執(zhí)行簡單、刻板的動作,逐漸發(fā)展到能夠獨立且穩(wěn)定地完成復(fù)雜動作,這一轉(zhuǎn)變堪稱具有里程碑意義。與此同時,人工智能(AI)技術(shù)的迅猛發(fā)展,更是為人形機器人的“大腦”注入了強大的智慧,使其智能化程度實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

現(xiàn)代人形機器人主要由感知、決策、控制以及執(zhí)行這四大核心模塊構(gòu)成。其中,執(zhí)行模塊宛如人類的肌肉,在控制器的精準指揮下,驅(qū)動機器人的肢體進行各種運動。由于人形機器人的目標是能夠像人類一樣執(zhí)行大部分動作,這就對其靈活性提出了極高的要求。在實現(xiàn)這一目標的過程中,輕量化設(shè)計成為了關(guān)鍵要素。

輕量化設(shè)計對于人形機器人而言具有多方面的重要意義。一方面,通過減少機器人各部件的重量,可以顯著降低驅(qū)動系統(tǒng)所需的力矩和功率。這意味著在相同的能源供應(yīng)下,機器人能夠發(fā)揮出更大的承載力,執(zhí)行更為復(fù)雜和繁重的任務(wù)。另一方面,輕量化有助于機器人降低功耗,減少能源消耗,從而延長其續(xù)航時間和使用壽命。從整體上看,輕量化設(shè)計對于提升機器人的性能,加速其商業(yè)化落地進程起著至關(guān)重要的作用,是當前人形機器人發(fā)展的必然趨勢。

在眾多常見的輕量化材料中,如鋁、鎂以及聚醚醚酮(PEEK)材料等,鎂材料展現(xiàn)出了獨特的價格優(yōu)勢。長期以來,鎂與鋁的價格比值(鎂鋁比)常年保持在1.1至1.3之間。截至2025年1月17日,鎂鋁比更是低至0.877,明顯低于其合理區(qū)間范圍。這一價格優(yōu)勢使得鎂在成本控制方面具有較大的吸引力。與PEEK材料相比,鎂的價格優(yōu)勢更為突出,PEEK材料的價格遠遠高于鋁和鎂,這在大規(guī)模應(yīng)用場景下,成本因素將成為制約其廣泛使用的重要因素。而鎂材料相對較低的價格,為其在人形機器人領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了有利的經(jīng)濟基礎(chǔ)。

鎂材料在性能方面同樣表現(xiàn)出色。其密度極低,與鋁合金相比,相同體積下鎂的重量要減少三分之一。這種低密度特性使得鎂在輕量化應(yīng)用中具有先天優(yōu)勢。在汽車行業(yè),鎂作為輕量化材料已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,并且取得了顯著的成效。其在減震性能和散熱性能方面尤為突出,而這些性能特點與人形機器人的功能訴求高度契合。

在機器人的實際運行過程中,良好的減震性能可以有效減少機器人在運動過程中產(chǎn)生的震動和沖擊,保護機器人內(nèi)部的精密零部件,提高機器人的穩(wěn)定性和可靠性。出色的散熱性能則能夠確保機器人在長時間運行過程中,電子元件產(chǎn)生的熱量能夠及時散發(fā)出去,避免因過熱導致的性能下降甚至故障。

以AD91D鎂合金為例,其密度僅為1.7kg/m3,約為鋁的2/3,鋼的1/4。然而,其強度卻高于鋁合金,比剛度接近鋁合金和鋼,這使得它能夠承受一定的負荷。同時,AD91D鎂合金還具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性,在制造過程中能夠精確成型,保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。此外,它還具備良好的阻尼系數(shù),減震量大于鋁合金和鑄鐵,進一步凸顯了其在減震性能方面的優(yōu)勢。這些優(yōu)異的性能使得鎂合金在機器人殼體等部件的應(yīng)用中具有巨大的潛力。

目前,鎂金屬在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐漸展開,并取得了顯著的成果。寶武鎂業(yè)和埃斯頓機器人攜手合作,率先推出了鎂合金工業(yè)機器人新品“ER4-550-MI”。這款機器人在多個方面展現(xiàn)出了卓越的性能提升。與傳統(tǒng)機器人相比,其節(jié)拍速度提升了5%,這意味著在相同時間內(nèi),它能夠完成更多的工作任務(wù),提高了生產(chǎn)效率。在減震、電磁屏蔽和散熱方面,該機器人表現(xiàn)出色,有效增強了運行的穩(wěn)定性。同時,能耗降低了10%,顯著提高了能源利用效率,降低了使用成本。這一成功案例充分證明了鎂材料在提升機器人性能方面的巨大潛力,也為鎂材料在機器人領(lǐng)域的進一步推廣應(yīng)用提供了有力的實踐依據(jù)。

近年來,工業(yè)機器人市場呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。2023年,全球工業(yè)機器人裝機量已經(jīng)達到54萬臺,與2015年的25萬臺相比,增長了116%,顯示出了強勁的發(fā)展勢頭。而我國作為全球制造業(yè)的重要力量,工業(yè)機器人的發(fā)展速度更為迅猛。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,我國2024年工業(yè)機器人產(chǎn)量達到了53萬臺/套,同比增長40%。

圖表: 我國工業(yè)機器人產(chǎn)量情況

數(shù)據(jù)來源:中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

我們對寶武鎂業(yè)推出的鎂合金機器人進行了詳細測算,其鎂用量約為4.97千克左右。以此作為工業(yè)機器人平均單機用量,在當前完全用鎂替代其他材料的情況下,工業(yè)機器人將拉動約2683噸鎂消費量。隨著工業(yè)機器人技術(shù)的不斷進步,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。未來,若在更大尺寸或其他新型號的工業(yè)機器人上廣泛運用鎂合金材料,從長遠來看,對鎂合金的拉動作用有望達到萬噸以上。這表明工業(yè)機器人的快速發(fā)展將成為鎂材料需求增長的重要驅(qū)動力之一。

隨著技術(shù)的不斷成熟和市場的逐步培育,人形機器人即將迎來量產(chǎn)時代。經(jīng)過測算,在人形機器人的電機外殼及身體部分外殼應(yīng)用中,每臺(套)人形機器人或可拉動13.7千克鎂金屬用量。假設(shè)未來人形機器人的出貨量達到100萬套,那么人形機器人遠期將拉動1.37萬噸鎂金屬消費量。而且,若未來在機器人的其他部件同樣實現(xiàn)鎂金屬替代,例如關(guān)節(jié)部位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)件等,那么對鎂合金用量的拉動將更為可觀。人形機器人作為未來科技發(fā)展的重要方向,其巨大的市場潛力將為鎂材料的應(yīng)用帶來廣闊的發(fā)展空間,成為推動鎂用量大幅增長的又一強大動力。

在人形機器人快速迭代的背景下,輕量化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。鎂材料憑借其顯著的價格優(yōu)勢、卓越的性能表現(xiàn)以及在實際應(yīng)用中的良好成果,正逐漸成為人形機器人輕量化的理想材料。隨著工業(yè)機器人和人形機器人市場的不斷發(fā)展,鎂材料的用量有望實現(xiàn)大幅增長,在人形機器人領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。

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