2025-05-23 人形机器人关键执行器——灵巧手材料与动力解析

图片：optimus进厂打工

特斯拉在2024年对Optimus机器人的手部进行了升级，调整为22个自由度（DoF），接近人类手部的27个自由度，显著提升了机器人的灵活性和精细操作能力，能够完成如抓取鸡蛋、分类物品等复杂任务。在人形机器人的演进道路上，灵巧手的技术进展正逐步成为衡量“拟人化程度”的核心指标之一。作为最复杂的末端执行器，灵巧手不仅承担着精细操作、物体抓取和工具使用等任务，更是实现人机交互自然化、人类工况替代化的关键环节。核心技术突破集中体现在两个方面：微型驱动系统与高性能材料。

微型电机驱动技术演化

灵巧手的“动作”源于电机与驱动系统的支撑。由于手部空间极其有限，传统伺服电机无法满足小型化与高功率密度的双重要求，因此推动了不同的驱动方案的发展：空心杯电机（Coreless Motor）：广泛应用于灵巧手指关节驱动，具备反应快、惯量小、启动扭矩高的优势，是当前应用最成熟的微型驱动方案之一。代表厂商如Faulhaber、Maxon等已将该类产品推向医疗、仿生等高端领域。

腱绳驱动系统（Tendon Drive）：通过高强度细绳（UHMWPE）与微型伺服电机联动，实现肌腱式控制机制，极大提升自由度与布局灵活性。模拟人类手部肌肉运动方式，是当前灵巧手的主流架构之一。

柔性致动器（Soft Actuators）：包括液压人工肌肉、形状记忆合金（SMA）、介电弹性体（DEA）等新型驱动机制，适用于软体手指结构，优势在于具备天然柔性、兼具结构与动力功能，缺点是响应滞后与控制难度高。

谐波/行星减速器集成：提升扭矩密度，与微电机联合设计定制谐波减速器或行星齿轮组，缩短传动链，提高关节精度。

灵巧手的关键材料体系

材料决定了灵巧手的性能边界。为兼顾轻量化、刚度、柔韧性与疲劳寿命，材料系统需涵盖高分子复合、纤维材料与柔性材料三大类：

一、骨架结构材料：

1.碳纤维复合材料（CFRP）：高比强度和刚度优于铝合金，但加工难度和成本较高，常用于负重或高速作业机器人。

2.PEEK、PPS、PA等工程塑料：在保证一定刚度的前提下可降低重量，适用于手掌壳体、支架等非关键受力部位。

二、“肌腱”类传动材料：

UHMWPE超高分子量聚乙烯纤维：具备超强拉伸强度和耐磨性，是腱绳驱动系统中的核心材料，抗疲劳性能显著优于金属丝和Kevlar。芳纶纤维（Kevlar等）：强度高、模量大、耐切割，常作为次选材料，局限在于柔顺性不足。

三、柔性包覆与触觉材料：

1.硅胶、TPE弹性体：模拟人类皮肤质感，具备优异的柔顺性与抗压回弹性。

2.电子皮肤基底（PDMS、PI膜等）：配合碳纳米管、MXene等导电填料实现触觉与温度反馈，是实现人机交互关键功能的集成基础。

驱动与材料的协同演进

可以看出灵巧手的系统设计呈现出“深度耦合”趋势，驱动电机的选择直接影响结构布置与材料选型。而材料的疲劳性能、刚性与重量又反向制约驱动性能的发挥。像腱绳系统需要高强轻质纤维（如UHMWPE）来降低电机负载，而空心杯电机必须与低摩擦线槽材料配合以保证传动效率。

未来趋势将朝几个方向演进：

1.集成型模块化驱动单元：将电机、减速器、传感器与外壳一体化，减小体积，提高可靠性；

2.智能材料与自感知驱动：材料本身兼具驱动与感知功能，如磁致伸缩材料、压电材料等；

3.软硬混合结构：通过刚性关节与柔性指尖的组合，实现稳定握持与安全交互的兼顾。

灵巧手是人形机器人走向“可操作化”的关键门槛，复杂程度甚至超过整体行走系统。电机与材料作为构建灵巧手的“动力心脏”与“结构筋骨”，在性能、成本、可集成性等方面正经历深度博弈与融合。未来，伴随微电机国产替代、柔性材料新突破与智能感知能力提升，灵巧手有望成为率先实现商用突破的人形机器人关键子系统。