SunSirs ： PEEK から TPE へ ： トップ 9 の新化学材料がヒューマノイドロボットの未来を形作る方法

人工知能技術の急速な進歩に伴い、ヒューマノイドロボットは実験室の概念から実用化の現実に移行しています。1967 年に早稲田大学で開発された最初のフルサイズのヒューマノイドロボット WABOT—1 から、テスラのオプティマスやボストンダイナミクスのアトラスなどの先進モデルまで、ヒューマノイドロボットは性能、柔軟性、知性において大きな進歩を遂げてきた。2030 年までに世界のヒューマノイドロボット市場は 1 兆ドルを超えると予測されており、この新興産業は爆発的な成長の黄金期を経験しています。

ヒューマノイドロボットの開発過程では、材料技術の革新が重要な役割を果たしてきましたが、従来の金属材料は、重量、エネルギー消費量、動き柔軟性に乏しいなどの固有の欠陥により、ヒューマノイドロボットの実用性と普及を厳しく制限しています。新しい高分子材料や複合材料の出現は、これらの問題を解決するための新しい方法とソリューションを提供し、ヒューマノイドロボットの技術的ブレークスルーの中核的な原動力となっています。

研究データによると、金属部品を高性能ポリマーに置き換えれば、ロボットの重量を 30% 以上減らし、移動速度を 15% ～ 30% 向上させ、エネルギー消費量を 18% ～ 25% 削減できます。これらの大幅な性能向上により、ヒューマノイドロボットは実際のアプリケーションにおいてより効率的で柔軟で省エネになり、産業生産、社会サービス、医療、家族との付き合いなどの分野での普及のための強固な基盤を築きます。

本稿では、ヒューマノイドロボット分野において重要な役割を果たす 9 つの新化学材料について掘り下げ、そのユニークな特性、応用シナリオ、ヒューマノイドロボット産業の発展に及ぼす重要な影響を分析します。これらの材料の研究を通じて、新しい化学材料の革新がヒューマノイドロボットの技術進歩の鍵となる原動力であるだけでなく、ヒューマノイドロボット産業の将来の発展のための広いスペースを開くことを明らかにすることができます。

構造部品の「スーパーサブ」 ： PEEK と PPS

ヒューマノイドロボットの構造設計において、人体の関節や骨のような関節軸受やリンクコンポーネントは、動きを支持し伝達する上で重要な役割を果たし、材料に厳しい性能要件が求められています。PEEK 材料は、優れた総合特性を持ち、この分野で理想的な選択肢となっています。

PEEK は、引張強度が 90 MPa を超える機械的強度に優れた高性能熱可塑性ポリマーであり、大きな外力下でも構造安定性を維持することができます。これにより、さまざまな複雑な動きの実行中にロボットの関節やリンクが変形したり損傷したりしないようにします。さらに、 PEEK は 260 ° C までの長期使用温度で非常に高い耐熱性を有しています。„ƒ高温環境でもその性能が著しく影響を受けないことを保証しますこれは、特定の条件下で動作する必要があるヒューマノイドロボットにとって特に重要です。さらに、 PEEK は耐化学腐食性と自己潤滑性に優れ、部品間の摩擦と摩耗を効果的に低減し、耐用年数を延ばし、メンテナンスコストを削減します。

テスラのオプティマス Gen 2 ヒューマノイドロボットは、 PEEK 素材を多用して設計されており、歩行速度を 30% 向上させながら 10 kg の軽量化に成功しました。この大幅な性能向上は、ヒューマノイドロボットの構造性能最適化における PEEK 材料の大きな可能性を十分に実証しています。オプティマス Gen 2 は、 PEEK 素材を使用してジョイントベアリングやリンクコンポーネントを製造することで、自重量やエネルギー消費量の低減だけでなく、動きの柔軟性と効率性を高め、実用的なアプリケーションでさまざまなタスクをより機敏に実行できます。

PEEK 材料を補完するポリフェニレン硫化物 （ PPS ） は、ヒューマノイドロボットの伝達部品に不可欠な役割を果たしています。PPS は、さまざまな温度や湿度条件下での寸法変化が最小限に抑え、優れた寸法安定性を示し、ギア、ベアリング、その他のトランスミッション部品が長期運転を通じて精密なフィットメントと精度を維持し、ロボットの動きの滑らかさと精度を保証します。さらに、 PPS は優れた耐化学性を誇り、幅広い化学物質に耐性があり、過酷な作業環境でも優れた性能を維持し、ロボットの信頼性の高い動作を保証します。

蘇州ナッパンは、有名なロボットメーカーに PPS 材料を提供し、ロボットジョイントコンポーネントプロジェクトに使用されています。実験データによると、 PPS ベアリングを使用したロボットジョイントのエネルギー損失が 25% 低減され、耐用年数が大幅に延長されます。この事例は、ロボット伝達システムの効率と信頼性を向上させる PPS 材料の大きな利点を十分に証明しています。実用的な応用では、 PPS 材料の使用により、ロボットの関節運動がより滑らかになり、エネルギー伝達がより効率的になり、エネルギー損失や部品摩耗によって引き起こされる故障の頻度が低減され、ロボットの全体的な動作安定性と耐用年数が向上します。

構造材料の分野では、 PEEK と PPS は独自の性能優位性を有し、ヒューマノイドロボットの軽量高性能化を実現するための鍵となる材料となっています。これらの応用により、ロボットの運動性能と作業効率が向上するだけでなく、複雑な環境下でのロボットの安定動作を確実に保証し、ヒューマノイドロボット技術の開発をさらに高レベルに推進します。

モーションシステムの「発電所」 ： CFRP と UHMW—PE 繊維

ヒューマノイドロボットの運動システムでは、ロボットアームと脚構造は、効率的で柔軟な運動を実現するために高強度と軽量特性を要求します。炭素繊維強化ポリマーは、優れた強度重量比により、ロボットの運動性能向上に重要な役割を果たしているため、この分野で好ましい材料となっています。

CFRP は炭素繊維と樹脂マトリックスから構成され、低密度と高い引張強度という顕著な特性を有します。その密度は鋼の約 3 分の 1 に過ぎませんが、 3500 MPa 以上の引張強度を達成できます。この優れた強度対重量比により、 CFPR は自重量の大幅な低減を行いながら、機械式アームと脚構造に十分な強度と剛性を確保できます。従来の金属材料と比較して、機械式アームと脚構造の製造に CFPR を使用すると、 30% — 60% の軽量化を達成し、ロボットの全体的なエネルギー消費を効果的に削減し、エネルギー利用効率を向上させることができます。

ボストン · ダイナミクスのアトラスロボットは、 CFRP 素材の脚構造で、困難なジャンプ動作に成功し、 CFRP の利点を十分に活用した設計です。CFRP 材料の軽量特性により、 Atlas ロボットは運動中に脚をより機敏に動かすことができ、慣性の影響を低減し、より柔軟で効率的な運動性能を実現します。また、 CFRP は疲労耐性に優れ、ロボットが頻繁な動き中に発生する交互応力に耐えることができ、脚構造の長期的な信頼性と安定性を確保します。

CFRP に加えて、超高分子量ポリエチレン （ UHMW—PE ） 繊維は、ヒューマノイドロボットの巧みな手のための腱の応用においてユニークな利点を示しています。UHMW—PE 繊維は、鋼鉄の 7 ～ 10 倍の超高強度を有するとともに、鋼鉄の約 1 / 8 の密度で非常に軽量です。この高強度と軽量の組み合わせにより、 UHMW—PE 繊維は、グリップの精度、安定性、柔軟性に直接影響を与える、器用な手の腱に理想的な材料です。

実用化では、南山智商の UHMW—PE 繊維は複数のロボットハンドシステムに適用されることに成功しています。UHMW—PE 繊維の高強度により、器用な手は物体をつかむ際に大きな引張力に耐え、握りプロセスの安定性を確保し、物体が落下するのを防ぐことができます。同時に、その軽量特性により、運動中に腱が柔軟になり、制御コマンドに素早く応答し、正確な把握動作を達成できます。さらに、 UHMW—PE 繊維は、優れた耐摩耗性と耐食性を有し、複雑な作業環境で良好な性能を維持し、機敏な手腱の耐用年数を延長し、メンテナンスコストを削減することができます。

ヒューマノイドロボットの運動システムにおいて、 CFRP および UHMW—PE 繊維は、ロボットアームと脚の構造と、巧みな手の腱にそれぞれかけがえのない役割を果たします。これらの応用により、ロボットの運動性能が大幅に向上し、さまざまな複雑なタスクにおいてより効率的で柔軟性を発揮し、産業生産、物流取扱、救助活動などの分野におけるヒューマノイドロボットの普及を強力にサポートします。

電子 · センシングシステムの「神経終端」 ： LCP 、 PDMS 、 PI 薄膜

液晶ポリマーは、ヒューマノイドロボットの電子 · センシングシステムにおいて、優れた誘電性と寸法安定性により、高周波信号コネクタなどの精密電子部品の重要な材料となり、ヒューマノイドロボットの信号伝送や電子制御を信頼性の高いサポートしています。

LCP は、高周波信号伝送の分野でユニークな利点を備えた液晶状態の高性能ポリマー材料です。その低安定な誘電率は、高周波環境での伝送中の信号損失と歪みを効果的に低減し、信号の迅速かつ正確な伝送を保証します。この特性は、操作中に大量のセンサーデータと制御信号をリアルタイムで処理する必要があるヒューマノイドロボットにとって重要です。安定した高速信号伝送は、ロボットが迅速かつ正確にタスクを実行できるようにするための基盤です。

例えば、ユートリー · テクノロジー社のユニットリー H 1 ヒューマノイドロボットは、高周波信号コネクタなどの精密電子部品の設計に LCP 材料を使用しています。実際の運用では、 LCP 材料は、高精度、高周波数の複雑な環境で様々な電子信号を安定かつ迅速に伝送することができ、ロボットの関節とセンサーがタイムリーに情報を受信してフィードバックし、ロボットの精密な制御と効率的な操作を実現します。

同時に、 LCP は優れた寸法安定性を有し、異なる温度や湿度での寸法変化が最小限に抑えられます。この特性により、精密電子部品は長期使用を通じて精密なフィット精度を維持し、寸法変化による信号伝送障害を回避し、電子システムの信頼性と安定性を高めることができます。

ヒューマノイドロボットの知覚分野において、ポリジメチルシロキサン（PDMS）とポリイミド（PI）フィルムは電子皮膚の核心材料を構成し、ロボットに鋭敏な環境知覚能力を付与し、人間のように周囲環境の変化を感知できるようにします。

PDMS は透明で柔らかく、生体適合性のシリコーンゴム材料で、柔軟性に優れ、引張伸び > 100% であり、人間の皮膚の柔らかいタッチをシミュレートすることができます。その表面改質特性は、センサーとの統合を容易にし、ロボットが温度や圧力などの物理量を感知することができます。PDMS をベースに Hanwei Technology が開発したフレキシブルセンサは、 0.1 kPa の高感度検出を達成し、外界からの微妙な圧力変化を正確に検出できます。ロボットがタスクを実行しているときは、この高感度センサーを通じて、物体に接触した際の圧力大きさや分布を感知し、物体の損傷を避けるために、より正確で穏やかな握り動作を実現します。

一方 ， PI 膜は耐高温性 ， 高い機械的強度 ， 柔軟性 ， 絶縁性 ， 化学的安定性を示した。電子スキンでは、 PI フィルムは基板材料として機能し、センサーに安定した支持構造を提供します。その優れた柔軟性により、電子スキンはロボットの表面に付着し、センサーの性能に影響を与えることなくロボットの動きに従って曲げたり変形したりできます。XELA Robotics の uSkin 製品は、 PI フィルムを使用したマルチモーダル環境知覚を実現し、さまざまなセンサーを統合してロボットが温度、湿度、タッチなどの環境情報を感知し、複雑な環境でよりインテリジェントに対応できるようにしています。

ヒューマノイドロボットの電子 · センシングシステムにおいて、 LCP 、 PDMS 、 PI フィルムはそれぞれ信号伝達と環境知覚に重要な役割を果たします。これらの応用により、ロボットの電子制御精度と環境知覚能力が大幅に向上し、外部情報をより正確に知覚し、迅速かつ合理的な意思決定を行うことができ、インテリジェントインタラクションやサービスロボットの分野におけるヒューマノイドロボットの開発を促進するための重要な支援となります。

ケースとバイオニックスキン「フレキシブルコート」 ： PA 、 PC—ABS 、 TPE

ヒューマノイドロボットの設計では、ハウジング材料は、内部精密電子部品や機械構造を保護するための良好な加工性能と機械的強度を持つだけでなく、人間と対話する際の安全性と快適性を考慮する必要があります。ナイロンとして知られるポリアミド （ PA ） は、そのユニークな性能優位性からヒューマノイドロボットのシェルの製造に広く使用されています。

PA は、高い引張強度とある程度の外部の衝撃に耐える能力を備えた優れた機械特性を有する熱可塑性プラスチックであり、ロボットの内部部品を確実に保護します。同時に、 PA は耐摩耗性に優れ、シェル表面が摩耗や傷によって損傷しやすくなく、頻繁な使用や外部物との接触中でもロボットの外観の完全性を維持します。

さらに、 PA は化学的安定性に優れ、一般的な化学物質の腐食に抵抗し、異なる作業環境に適応することができます。例えば、ノルウェーの 1 X テクノロジーズ社のホームロボット Neo Gamma は、シェルに編まれたナイロン素材を使用しています。この材料は、 PA 材料の上記の利点を備えるだけでなく、ロボットの安全性を高めます。織布構造により、外力衝撃を受けたときにエネルギーを分散させ、内部構造への損傷を低減します。同時に、ナイロンシェルはフレンドリーな外観を与え、家庭環境で人間と生活し、相互作用するのに適しています。

補完的な PA 材料は、ヒューマノイドロボットのシェルの製造でも重要な位置を占める PC—ABS エンジニアリングプラスチックです。PC—ABS は、ポリカーボネート （ PC ） とアクリロニトリルからなる合金材料です†PC の高い機械的強度、耐熱性と加工の容易さ、 ABS の耐衝撃性を組み合わせたアディエン — スチレン （ ABS ） 。この材料は、薄肉で複雑なロボットの構造の製造に特に適しており、ヒューマノイドロボットのシェルの多様な設計要件を満たしています。

ソフトバンクの NAO ロボットは、シェルの主材料として PC—ABS エンジニアリングプラスチックを使用しています。PC—ABS 材料の加工が容易なため、 NAO ロボットは複雑な外観設計を実現するとともに、高い機械的強度と耐衝撃性により、日常的な使用で損傷することなく特定の衝突や落下に耐えることができます。また、 PC—ABS 材料は優れた成形特性を有し、射出成形などの加工技術により高精度シェル部品を効率的に製造でき、生産コストの削減と生産効率の向上を実現します。

バイオニックスキンやジョイントクッションパーツの分野では、熱可塑性エラストマーがユニークな利点を示し、ロボットの柔軟性と自然な動きを実現するための重要な材料となっています。TPE は、ゴムの弾性とプラスチックの加工性を兼ね備えており、柔らかさ、耐摩耗性、耐衝撃性などの特長があります。バイオニックスキンの応用では、 TPE は人間の皮膚の触覚と外観をシミュレートすることができ、ロボットが人間と接触する際により自然で快適にします。その良好な断熱性と軽量特性は、ロボットの安全な動作を保証するだけでなく、ロボットの全体的な重量を低減します。

同時に、 TPE はユニークな柔らかく弾力のある肉質感触と温度感受性を有し、人間がロボットに触れる際によりリアルなタッチを感じることができます。ジョイントバッファ部品では、 TPE の弾性および変形性はクッションおよび衝撃吸収に良い役割を果たすことができます。ロボットのジョイントが移動すると、 TPE 材料はジョイント間の摩擦と摩耗を低減し、機械的ノイズを低減し、ジョイントの耐用年数を延ばすことができます。さらに、 TPE の存在により、ロボットの動きはより柔軟で自然で滑らかで、人間の動きパターンに近づいています。

現在、コスト制約からロボット外装スキンへの応用は限られていますが、技術の進歩とコストの低下により、 TPE の普及の可能性は巨大です。例えば、将来のアトラスロボットは、フレキシブルジョイントに TPE 材料を利用し、モーション性能や人間とロボットのインタラクション体験をさらに向上させることが期待されています。

ヒューマノイドロボットのシェルやバイオニックスキンの分野では、 PA 、 PC—ABS 、 TPE 材料がそれぞれユニークな役割を果たしています。これらの応用は、ロボットの安全性、快適性、外観デザインの多様性を高めるだけでなく、ヒューマノイドロボットのより自然で柔軟な動きやヒューマシンインタラクションを実現するための重要なサポートを提供し、家庭サービスや医療などの密接に関連した分野におけるヒューマノイドロボットの応用と開発を促進します。

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