机器人专题报告：新材料推动具身智能突破能力边界

1 ①② ①②③④ ➢ 2049 ➢ ➢ 0510152025303540455019491959196919791989199920092019 ​对比维度​​镁合金​​铝合金​​核心差异​​密度 (g/cm³)1.7-1.82.6-2.8轻33%，航天/汽车减重首选​比强度 (MPa·cm³/g)160-240100-150单位重量强度高50%​减震性能​阻尼系数0.04-0.06阻尼系数0.01-0.02抗震能力高3-18倍​加工成本​原材料贵但压铸效率高原材料低且工艺成熟镁综合成本高20-30%​耐腐蚀性​需表面处理（微弧氧化等）自然氧化膜防护铝合金环境适应性更优​典型应用​医疗外骨骼、相机骨架、超薄电子件建筑型材、散热器、船舶结构镁：轻量化尖端领域；铝：传统工业主力Wind 0.81.31.82.32.80.01.02.03.04.05.06.0Feb-22Aug-22Feb-23Aug-23Feb-24Aug-24Feb-25镁锭价格(万元/吨)铝锭价格(万元/吨)镁铝比(右轴) ⚫ ℃℃℃⚫ PEEKPTFEPIPPSUPPSPOMPA66刚性拉伸模量 拉伸模量数值越大，说明刚性越好MPa4300175037002450400028001700韧性缺口冲击强度冲击强度数值越大，说明材料的韧性越好KJ/m²3.54.54.512284.5耐热长期使用温度值越高，通常代表该材料耐热性能越好℃25026024018022011595除 PTFE 外，PEEK 为耐热性能最好的材料之一耐磨摩擦系数 摩擦系数越小，通常代表耐磨性越好-0.40.150.40.450.50.520.5除 PTFE 外，PEEK 为耐磨性能最好的材料之一耐腐蚀耐化学性能值越大，说明材料的耐化学性能越好-9.279.98.47.789.337.587.25PEEK、PTFE、PPS 均为耐腐蚀性最好的材料电性能介电强度 值越大，说明材料的绝缘性能越好KV/mm24112826182027PEEK 绝缘性能与其他工程塑料无明显差距刚性和韧性一般呈现反比例关系，PEEK 在刚性为最好的情况下韧性并非最低，展示了其全面的机械特性工程塑料特种工程塑料单位特性性能指标指标说明对比结果说明特种工程塑料2022年国内市场价格（万元/吨）PTFE4.7PSU9.11PPS4.3PEEK33.7 Tesla 芯片大脑决策中心摄像头视觉眼睛听觉和表达麦克风、扬声器耳朵、嘴巴运动能力电机、连杆腿部、足部触觉和执行灵巧手手、臂指尖传感器（电子皮肤）驱动系统（肌肉和血管）传动系统（肌腱和骨骼）连接器（关节） 传感技术调节参数优点缺点电容式电容值灵敏度高、空间分辨率高、动态范围大存在寄生电容、对噪声敏感、测量电路复杂压阻式电阻值频率响应高、空间分辨率高、噪声干扰小、易结构化可重复性差、迟滞、功率消耗高、工艺复杂压电式电荷频率响应高、灵敏度高、可靠性高、动态范围大空间分辨率差、测量电路复杂、仅适用动态检测光电式光强度空间分辨率高、无电气干扰、响应速度快、成本低整体结构缺乏柔性、对弹性体依赖性强磁敏式磁场强度灵敏度高、体积小结构设计复杂、分辨率低超声式超声波空间分辨率高、不受电磁干扰布线困难、存在滞后和非线性、易受外部超声干扰 ② Clone 西部世界中仿生机器人Clone公司仿生机器人51CTO 传动方式特点缺陷腱传动由腱（钢丝绳、迪力马绳等）加上滑轮或者软管实现传动。腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种柔顺传动方式。腱本身的刚度有限，影响位置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。连杆传动采用平面连杆机构传动，刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求。结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高。齿轮/蜗轮蜗杆传动驱动器通过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作，手指部分采用金属连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形，和别的多指灵巧手相比，驱动更加灵活，但是手指的闭合时间较长。结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱，对手内空间配置要求较高，手指的结构比较复杂，容易出现故障。人工肌肉（液压/气动）液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式，是模拟人肌肉的一种驱动方式。由于材料和技术的限制，这些“人工肌肉”技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。性能对比UHMWPE纤维钢丝绳粗细程度仅为头发丝五分之一多股钢丝捻制比强度密度0.97g/cm^3，轻量化优势凸显7.8g/cm^3耐冲击性柔性强，吸能优势突出（防弹衣应用）中等耐磨性耐磨性较高中等，需要进行表面改性耐腐蚀性高度耐腐蚀容易受到潮湿环境影响柔韧性较好，可反复折叠容易形成金属疲劳绝缘性介电常数2.3左右，绝缘性好导电性强耐温性熔点较低耐高温成本较高，约为钢丝绳的5-10倍数比强度是钢丝绳的8倍以上 DyneemaPE 灵巧手年份传动方式使用材料Okada Hand1974腱-滑轮软管SALISBURY Hand1983腱-滑轮钢丝+特氟龙涂层UB Hand1992腱-滑轮合成纤维DIST Hand1996腱-滑轮聚酯纤维Robonaut Hand1999腱-滑轮钢丝LMS Hand1998腱-滑轮高分子聚乙烯DLR Hand2001腱-滑轮齿形带Pisa/IIT soft Hand2014韧带Dyneema 材料碳陶材料铝基碳化硅传统钢材铝合金​密度1.8-2.2 g/cm³2.7-3.0 g/cm³7.8-8.0 g/cm³2.7-2.9 g/cm³​耐温性极高高高中等刚度较好较好好一般​耐磨性优优良较差​制造成本中高高低低​加工周期长中短最短 “”30%20%10%40%磁性材料硅钢片钢材制造及其他Tesla Tesla ➢ ➢ ➢ 正极材料理论克容量（mAh/g）成本电压平台(V)高镍三元215较高3.62镍锰酸锂147中等4.7富锂锰基320较低3.7-4.6 ① ①主要种类优势劣势硅碳复合负极材料A、克容量高B、首次充放电效率高C、工艺相对于其他硅基负极材料较为成熟A、大批量生产电化学性能优异的产品难度较高B、循环性能和首次效率有待提高C、电极膨胀率较高硅氧复合负极材料A、可逆容量高,达1,700-1,800mAh/g,接近理论容量B、循环性能和倍率性能相对于其他硅基负极材料好A、首次效率低，无法单独使用，需要进行提高首效处理B、SiO工艺复杂，生产成本非常高硅基金属负极材料体积能量密度高A、工艺难度大、成本高B、首次充放电效率低C、循环性能较差② ①② ➢ ➢ ➢ ➢