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人形機器人用線纜及材料的技術(shù)要點與市場空間淺析
最近中共中央、國務(wù)院關(guān)于深化養(yǎng)老服務(wù)改革發(fā)展的意見中提出，重點推動人形機器人、腦機接口、人工智能等技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用。國常會也提出促進“人工智能+消費”，越來越多的AI+應(yīng)用場景出現(xiàn)在日常生活中，智能終端和服務(wù)也越來越常見，以“春晚”爆紅的人形機器人為例，人形機器人在工業(yè)、消防、養(yǎng)老等領(lǐng)域的應(yīng)用，均被市場寄托了較高的期待。
人形機器人用線纜性能要求
以特斯拉Optimus為例（圖1），人形機器人用線纜主要有動力電纜、伺服電纜、編碼器和傳感器電纜等，滿足大腦、電池組、軀干、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、線性關(guān)節(jié)和靈巧手等各部件的電能和信號傳輸。由于機器人需要頻繁運動、彎曲關(guān)節(jié)，或者進行特殊場景的工作等，機器人電纜在滿足基本的電力和信號傳輸功能之外，還需要具備柔韌性、耐磨損、高抗干擾性以及耐高溫等特性，使得機器人電纜能夠在高速運動、頻繁彎曲的情況下保持穩(wěn)定的電力連接和信號傳輸。相應(yīng)的，除了基本性能外，人形機器人用線纜材料也需要具備柔韌性、耐磨損和耐高溫等特性。
圖1：特斯拉Optimus
人形機器人采用集成化方案，追求較高輕量化和緊湊結(jié)構(gòu)，手部采用輕量高效的空心杯電機，身體部位采用無框電機等構(gòu)成的一體化關(guān)節(jié)。人形機器人用線纜目前沒有標準，為了分析方便，人形機器人的基本結(jié)構(gòu)可簡化為“軀干+5個活動關(guān)節(jié)（頭和四肢）”，也可視其為“一個基本電氣設(shè)備（軀干）連接了五個形狀不同的機械臂（頭和四肢）”。人形機器人中的電纜按使用特性可分為三類：連接電池組電源需要動力線，連接無框電機需要伺服電纜以及編碼器和傳感器需要信號電纜。TICW 21-2019《工業(yè)機器人用柔性電纜》規(guī)范適用于工業(yè)機器人或機械臂用、拖鏈用及工業(yè)自動化設(shè)備用柔性電纜，包括0.6/1kV及以下動力電纜、300/500V及以下控制電纜、伺服電纜以及30V信號電纜，這也適用于相似使用條件下的其它類型機器人。故可以參照TICW 21-2019《工業(yè)機器人用柔性電纜》來分析其電纜性能要求和材料特點。
機器人線纜連接（圖2）是一個多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。除了常規(guī)性能，沿機器人或上下肢敷設(shè)，隨機器人運動，并為其提供動力或傳輸信號的電纜不僅需要耐彎扭，還需要由多于一組的對線組、三線組或四線組或更多線芯絞合成的單元組成的多單元電纜。這些線纜除了常規(guī)性能，還需滿足護套耐磨試驗、成品電纜扭轉(zhuǎn)試驗、成品電纜循環(huán)彎折試驗和三維組合扭轉(zhuǎn)彎折試驗等柔韌性要求（部分試驗示意圖如圖3）。
圖2：機器人線纜連接
圖3：扭轉(zhuǎn)試驗和循環(huán)彎折試驗示意圖
人形機器人線纜用材料性能要求
TICW 21-2019規(guī)定的機器人用柔性電纜正常運行時的導(dǎo)體工作溫度為70℃、90℃和130℃，滿足70℃、90℃的絕緣材料為聚氯乙烯、熱塑性彈性體、聚乙烯和聚丙烯，滿足130℃的絕緣材料為乙烯-四氟乙烯共聚材料。滿足70℃和90℃的護套材料為聚氯乙烯、熱塑性彈性體和聚氨酯彈性體（見表1）。雖同為熱塑性彈性體材料，代號為S和S2為熱塑性彈性體材料TPE或類似合成材料（抗張強度最小10.0N/mm2），代號S3為熱塑性彈性體材料TPEE或類似合成材料（抗張強度最小30.0N/mm2）。除了常規(guī)性能，人形機器人線纜對護套材料有耐磨、抗水解和皂化等特定性能需求，其中熱塑性彈性體護套需滿足抗水解性能，聚氨酯彈性體護套需滿足抗水解性能和護套皂化試驗等。
表1：機器人用柔性電纜絕緣材料和護套材料
人形機器人線纜及材料市場空間
數(shù)據(jù)顯示，截至2024年2月份，全國人形機器人存量企業(yè)為24747家、*********專精特新企業(yè)1051家。根據(jù)高工機器人產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)測，到2034年，中國的人形機器人市場年銷售量有望超過100萬臺。
人形機器人線纜及材料市場空間依托于人形機器人的市場需求，很多專家普遍認為其可以參照智能手機的市場需求。在此我們參照智能手機的市場需求演變曲線（圖4），并且考慮機器人的價格和產(chǎn)品更新?lián)Q代時間，以汽車保有量（圖5）的數(shù)量作為有效購買需求來粗略測算，以求拋磚引玉。為了方便，把所有的線纜類型簡化為RVV，3×1.5mm2，假設(shè)每個機器人所用電線長度=2×8=16(m），10年內(nèi)保有數(shù)量15億個，對應(yīng)總長度約2400萬km。RVV 3×1.5mm2外徑8.5mm，護套厚度0.9mm，密度1.4g/cm3。護套料重量約為72萬噸。
圖4：智能手機的市場需求演變曲線
圖5：汽車保有量
結(jié)語
人形機器人集成了人工智能、高端制造、新材料等先進技術(shù)，本質(zhì)是人工智能技術(shù)與機器人機電技術(shù)的深度融合，屬于人工智能在具身智能（EAI）方向的應(yīng)用落地，有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車之后的顛覆性產(chǎn)品，將深刻變革人類生產(chǎn)生活方式，重塑全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。線纜工業(yè)是一個以市場需求為拉力，技術(shù)進步為推力，以線纜材料的發(fā)展為基礎(chǔ)不斷創(chuàng)新的過程。如今，創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念深入人心，國家大力發(fā)展新一代信息技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環(huán)保以及航空航天、海洋裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，以及大力推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等各產(chǎn)業(yè)深度融合，推動先進制造業(yè)集群發(fā)展等政策，上述各領(lǐng)域的發(fā)展給光電線纜及其所用材料行業(yè)將帶來巨大的新機遇，上下游會攜手共進，一起奔向更加美好、更加燦爛的明天。
