Trendy i perspektywy w siłownikach: „mięśnie” napędzające ruch humanoidów

Siłowniki humanoidalne odpowiadają za ożywienie robotów humanoidalnych poprzez umożliwianie im wykonywania ruchów fizycznych, dzięki czemu mogą chodzić, podnosić przedmioty, posługiwać się narzędziami oraz wchodzić w interakcję z otoczeniem.

Przy prognozowanym na najbliższą dekadę średnim rocznym tempie wzrostu (CAGR) sprzedaży robotów humanoidalnych na poziomie 47%, pojawiają się nowe możliwości dla producentów materiałów i dostawców komponentów, którzy mogą wejść do łańcucha dostaw tego szybko rozwijającego się rynku.

Artykuł przedstawia aktualny stan techniki w zakresie siłowników humanoidalnych oraz wskazuje kierunki rozwoju i perspektywy.

W nowym raporcie IDTechEx pt. „Materiały dla robotów humanoidalnych 2026–2036: technologie, gracze, prognozy” przewiduje się, że lata 2026–2027 będą kluczowym okresem przejściowym, kiedy coraz więcej podmiotów przejdzie od testów pilotażowych do gotowości produkcyjnej i wdrożeń na wczesną skalę.

Obecne możliwości zakresie aktuatorów dla humanoidów

Siłowniki mogą być liniowe lub obrotowe i wykorzystywać napęd pneumatyczny, elektryczny lub hydrauliczny do generowania ruchu, przy czym siłowniki elektryczne są obecnie najpopularniejsze wśród robotów humanoidalnych. Według analizy IDTechEx, obejmującej ponad 50 robotów humanoidalnych i prototypów, w typowym humanoidzie znajduje się 31 siłowników (z wyłączeniem efektorów końcowych, takich jak chwytaki lub zręczne dłonie), które zapewniają stopnie swobody (DOF) wokół stawów szkieletu humanoida. Aktuatory różnią się również w zależności od wymagań danego stawu. Na przykład w nadgarstkach i kostkach zazwyczaj stosuje się mniejsze siłowniki, podczas gdy przeguby przenoszące obciążenia, takie jak biodra i kolana, wymagają większych i bardziej wytrzymałych.

Analiza IDTechEx szacuje, że około 56% masy humanoida pochodzi wyłącznie z siłowników. Systemy te opierają się na sztywnych, wytrzymałych materiałach, takich jak stopy metali (np. stal, aluminium itp.), które stanowią kluczowe elementy konstrukcyjne siłowników. Ponadto magnesy stałe z metali ziem rzadkich (REPM), takie jak NdFeB, mają kluczowe znaczenie dla silników siłowników w robotach humanoidalnych, zapewniając wysoką gęstość momentu obrotowego, gęstość mocy oraz płynniejsze krzywe momentu obrotowego. Raport zawiera szczegółowe informacje na temat wymagań materiałowych oraz przedstawia wyzwania związane z siłownikami, wraz z 10-letnimi prognozami popytu na kluczowe materiały, w tym metale i magnesy stałe z pierwiastków ziem rzadkich.

Miękkie siłowniki i ruch podobny do ludzkiego

Sztywne siłowniki nadają się szczególnie do przenoszenia obciążeń z wysoką precyzją, co często jest wymagane w przypadku stawów. Istnieją jednak pewne ograniczenia, do których można zaliczyć słabą zdolność dostosowywania się do nieuporządkowanych środowisk, brak amortyzacji wstrząsów prowadzący do podatności na uderzenia, zużycie mechaniczne oraz zmęczenie materiału. Ponadto w systemach tych stosuje się ciężkie materiały, takie jak stal (głównie) i stopy aluminium, które zwiększają masę i gabaryty humanoida, co ostatecznie ogranicza zakres ruchów i wydajność baterii.

Robot humanoidalny, zdjęcie ilustracyjne

W porównaniu z siłownikami sztywnymi zastosowanie siłowników opartych na materiałach „miękkich” zamiast metali pozwala im pełnić funkcje biomimetyczne i zachowywać się jak sztuczne mięśnie. Typowe materiały stosowane w miękkich siłownikach to polimery elektroaktywne, stopy z pamięcią kształtu, materiały piezoelektryczne itp. Reagują one na bodźce zewnętrzne (np. prąd, napięcie, temperaturę, ciśnienie, pole magnetyczne itp.) generując ruch. Technologie te znajdują się jednak wciąż na etapie rozwoju i wiążą się z kilkoma wyzwaniami, które należy rozwiązać.

Zdecydowana większość obecnych projektów humanoidów wykorzystuje sztywne siłowniki. IDTechEx uważa, że nadal będą one stanowić podstawę konstrukcji robotów. Istnieje jednak szansa, że siłowniki miękkie będą w przyszłości stosowane (np. w konstrukcjach hybrydowych) w obszarach, w których ruch podobny do ludzkiego ma większe znaczenie.

Perspektywy

Branża humanoidów koncentruje się obecnie na standaryzacji komponentów, optymalizacji projektów pod kątem możliwości produkcyjnych oraz budowaniu łańcuchów dostaw. Prowadzi to do nawiązywania współpracy między producentami OEM a dostawcami siłowników, którzy tradycyjnie obsługują przemysł motoryzacyjny, w celu wykorzystania istniejącej wiedzy specjalistycznej i łańcuchów dostaw. Kluczowym wyzwaniem w przypadku siłowników do humanoidów jest również zmniejszenie masy bez uszczerbku dla integralności strukturalnej. W perspektywie długoterminowej innowacje materiałowe będą kluczowym filarem rozwoju sprzętu humanoidalnego nowej generacji, który będzie w stanie sprostać wyzwaniom stawianym przez dzisiejsze najnowocześniejsze technologie.

Źródło: IDTechEx