中国粉体网讯 人形机器人作为前沿科技领域的重要方向，对结构重量、力学性能与运动灵活性有着严苛要求。传统金属材料虽在强度上具备优势，但较高的密度易导致机器人整体重量过大，制约其动态性能与续航能力。复合材料凭借高比强度、高比刚度及可设计性强等特点，成为突破这一瓶颈的关键，尤其在轻量化设计与结构优化领域展现出显著应用价值。
复合材料：轻量化与高性能的核心载体
实现人形机器人轻量化，核心在于在保证力学性能的前提下降低结构重量，材料的比强度（强度/密度）与比模量（模量/密度）是关键指标。
常用于人形机器人的复合材料与传统材料性能比较 来源：《复合材料在人形机器人中的应用进展与趋势》（熊健等）
纤维增强聚合物复合材料，如玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP）、碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）和芳纶纤维增强聚合物复合材料（AFRP）等，具有高比强度和高比刚度，是典型的轻量化材料。采用纤维增强聚合物复合材料替代铝合金的结构设计，一般可以实现30%以上的结构减重。例如，Lee等用碳纤维环氧复合材料制造人形机器人前臂与传动轴，相比钢材减重9-15公斤，大幅提升了机器人动态响应速度；Elasswad等通过3D打印技术，将纤维增强复合材料表皮与尼龙芯层结合，开发出HYDROID机器人的柔性脚，不仅减重70%（质量仅0.265kg），弯曲强度还提升3倍。
HYDROID机器人的柔性脚设计尺寸 来源：Elasswad.Development of a new deformable flexible active foot for hydroïd robot using 3D printing of composite
目前，波士顿动力Atlas、本田ASIMO、宇树科技Walker等主流人形机器人，均已在外壳、骨架或承重结构中规模化应用碳纤维复合材料，其整机重量较全金属设计降低15%-25%，运动灵活性与耐久性显著提升，可适应复杂地形行走、肢体协同作业等多样化场景。
特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）则在中高端场景中展现出替代金属的潜力。PEEK兼具耐高温、耐磨、自润滑与耐腐蚀性，其复合材料进一步强化了力学性能。特斯拉Optimus Gen-2机器人通过采用碳纤维增强PEEK复合材料，实现减重10公斤，行走速度提升30%；由PEEK制造的齿轮、轴承与骨骼部件，既能满足结构承重需求，又能减少运动摩擦损耗，适配机器人长期高频运行。
PEEK材料可应用部位 来源：特斯拉，民生证券研究院
结构优化：进一步释放轻量化潜力
除材料创新外，结构优化设计是实现轻量化的另一核心路径，通过算法模拟结构受力分布，优化材料空间布局。Albers等针对ARMAR III机器人胸腔支撑结构，提出“基础拓扑优化+动态耦合效应拓扑优化”的双阶段方法，基于复合材料设计出重量仅2.7公斤的高刚度结构，较传统金属结构减重40%；Junk等将拓扑优化与增材制造结合，应用于人形机器人骨盆模块，在提升结构刚度的同时实现46%的减重，有效降低了机器人下半身运动负荷。
胸腔支撑结构优化 来源：Albers.Methods for Lightweight Design of Mechanical Components in Humanoid Robots
总结与展望
复合材料已成为推动人形机器人轻量化与高性能化的核心材料，其应用覆盖从外壳、骨架到传动部件、驱动组件的全结构体系。纤维增强聚合物复合材料凭借高比强度特性实现大幅减重，PEEK等特种工程塑料拓展了中高端场景应用，而拓扑优化与集成化设计则进一步释放了材料潜力，使机器人在减重的同时，动态性能、耐久性与功能适配性均得到提升。
未来，随着复合材料低成本制造技术（如高效3D打印、自动化成型）的突破，以及多材料协同设计（如复合材料与金属、弹性体的混合结构）的发展，人形机器人有望实现“更轻重量、更高性能、更低成本”的突破，为其从实验室走向工业、家庭等实际应用场景奠定基础。
参考来源:
熊健.复合材料在人形机器人中的应用进展与趋势
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
东吴证券《人形机器人轻量化：产业化前夕的进修课，应用为重——人形机器人深度研究系列九》
(中国粉体网编辑整理/月明)
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