昨天旁听了一场学术讨论会，其中一个议题是“机器人轻量化的发展前景”，争论的焦点有些出人意料：

打着发展轻量化的幌子偷工减料，会不会成为一种趋势？

这个问题是一位退休学者提出的。理论上和客观上的确有这种可能性：为了降低成本，一些制造商可能会选择使用更便宜的材料或简化制造工艺，牺牲机器人的耐用性和可靠性。这在“卷”字当头的时代完全是可能发生的，因为很多行业不都是这样吗？要想活下去、有利润，就不能在性能和品质上精益求精，只要质量过得去、价格还可以、服务跟得上，就够了。某种意义上讲，即便有机器人厂家这么做，也不能全怪它们，环境使然罢了。

有时候，一些问题也可能不是出于“恶意”而是能力不足、经验欠缺造成的。比如在追求轻量化的过程中，没有充分考虑到机器人的工作环境和使用条件，从而导致产品结构强度不够或耐久性差。再比如，选择轻质材料时，对材料的力学性能和环境适应性的评估有欠缺，使得材料在实际应用中表现不佳。

那么，到底什么是机器人轻量化？

不管怎么说，轻量化的确是机器人发展的方向之一。通俗点讲，所谓的机器人轻量化，就是在设计和制造机器人时通过使用轻质材料、优化结构设计等方法来减少机器人的重量。

机器人轻量化有啥好处？

显然，机器人越轻，灵活性和速度就越高。轻量化设计可以减少机器人的惯性，使其加速和减速更快，提高其响应速度和灵活性，机器人也更容易移动和重新定位。这对于那些需要机器人快速响应和频繁重新部署的应用场景非常重要。

那么与之相关的好处就是，轻量化机器人对基础设施的要求更低。什么意思呢？因为它轻巧，所以对地面和支撑结构的压力较小，可以在不加固地面或结构的情况下使用，从而降低了对基础设施的改造需求。

而如果是服务机器人和人形机器人，较轻的机身也意味着对人更安全——从机器人的部署和维护角度来看，这简化了安全评估和合规性流程。

机器人轻量化的关键技术有哪些？

我们选几项来稍做介绍，相关技术当然不局限于以下诸位。

1. 材料

首先来谈谈轻质材料的应用。

理论上说，使用高强度和轻质/高比强度和低密度的材料如碳纤维复合材料、铝合金、镁合金等，可以在减轻机器人重量的同时保持或提高结构强度。

在《“材料老炮”PEEK，被人形机器人推向台前》一文中，我相对详细地介绍了PEEK的情况。除它以外，碳纤维复合材料、铝合金、镁合金等也是受到关注较多的材料类型。

（1）碳纤维复合材料 (CFRP)

碳纤维复合材料因其高比强度（强度与重量的比率）、刚性和耐疲劳性而成为机器人轻量化的核心材料。它能够显著减轻机器人的重量，同时保持结构的完整性和强度。碳纤维复合材料可以用于制作机器人的手臂、骨架和外壳。

（2）铝合金

铝合金比纯铝更强硬（拉伸强度范围从110到650兆帕），密度较低较（约在2.63至2.85克/立方厘米之间，远低于钢铁和铜等其他常用金属材料），加工性能不错（可以进行冲压、挤压、锻造和铸造等多种成型工艺），在机器人轻量化设计中得到广泛应用。

（3）镁合金

镁是实用金属中最轻的一种，镁合金的密度大约只有铝的2/3，铁的1/4。它具有良好的强度、散热性和抗振性，适用于机器人外壳和结构件。但镁合金的韧性和强度相对较低，可能不足以完全替代钢或铝。

（4）钛合金

钛合金是一种由钛作为基体并加入其他合金元素（如铝、钒、钼、锆、锡、铁等）构成的金属材料，强度重量比远远超过多数合金结构钢和铝合金，在海水、盐雾、湿气、大气以及多种酸性环境中具有优异的抗腐蚀能力，在高温下能保持良好的机械性能，对人体组织也有良好的兼容性。

除了这“四大天王”，其他材料还有陶瓷材料、泡沫材料、蜂窝结构、3D打印材料、智能材料、生物基材料等。

可材料虽好，也是拿成本换的。

不同的材料有不同的成本，这通常与它们的生产难度、稀缺性、加工要求和市场供需关系有关。

碳纤维复合材料的成本通常非常高，主要是因为碳纤维本身的生产成本较高，复合材料的制造过程也很复杂，需要精确的温度和压力控制。

镁合金的生产成本也相对较高，因为它涉及到电解过程，耗能较大。但是，镁合金的低密度和良好的机械性能使它在某些需要轻量化和高刚性的应用中成为一种划算的选择。

钛合金的生产成本是这几个里面最高的，部分原因是钛的提炼过程复杂且能耗高，同时钛合金的加工也比其他金属困难。航空航天级的钛合金尤其昂贵，因为它们需要满足极其严格的质量标准。

相对来说，铝合金的成本比较适中，其可回收性也是一个经济优势，因为回收铝的成本远低于生产原铝的成本。

总的来说，虽然轻量化材料在初期投资上可能成本较高，但它们在提高机器人性能、降低能耗和延长使用寿命方面的潜在优势，可能会在长期运营中带来成本节约。因此，在考虑机器人轻量化时，需要综合评估材料成本、加工成本、性能提升和长期运营成本等多个因素。

【注：粗略来说，机器人行业在计算材料的直接成本时可参照以下公式：材料成本=材料单价×(所需材料重量+损耗重量)，但实际操作中还需考虑间接成本如加工、设计、合规、市场因素等等】

2. 结构设计优化

前面说过，机器人轻量化的目标，说穿了就是通过减少机器人的重量来提升其效率和灵活性（其实还有续航能力等等）。如果能保持甚至增强结构强度和功能性，自然更是妙哉。结构设计优化在这方面能起到支持作用，它通过改进设计策略和采用先进的工程方法来减少材料使用量，不牺牲机器人的性能。

结构设计优化考虑使用高强度、轻质材料（如前文所述的碳纤维复合材料、铝合金、镁合金和钛合金等）。通过使用这类材料，采用一体化设计减少冗余组件，并借助拓扑优化和多目标优化算法来精炼结构形状和尺寸。

解释一下这其中的几个概念。一体化设计通过设计集成组件，减少连接件和支撑结构的数量，从而减轻整体重量；拓扑优化技术是一种计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）相结合的技术，可以帮助工程师找到最有效的材料分布方案，去除不必要的材料，从而在保持结构强度的同时减轻重量；多目标优化指在结构设计过程中，需要平衡重量、成本、强度、刚度、制造难度和功能等多个目标，以达到最优解。

当然了，结构设计优化还包括很多概念和步骤，本文就不具体展开了。此前特斯拉人形机器人Optimus Gen2之所以能减轻10kg重量，据说就和使用新型材料和结构优化有关。

3. 驱动与控制系统

（1）高效伺服电机技术

伺服电机的效率会影响到机器人的能耗和性能。随着技术的发展，现代伺服电机在保证足够动力输出的同时，正逐渐实现小型化和轻量化。

小型化设计：随着制造工艺的改进，伺服电机的体积和重量得以减少，而性能并不发生明显弱化，这当然也就为机器人的轻量化提供了可能。

效率提升：比如通过采用更先进的材料和设计如稀土永磁材料和优化的电磁设计，来提升伺服电机的效率、减少能量损耗。

集成化控制：将伺服电机与控制器集成，能减少外部接线和接口的需要，也就减轻了整体系统的重量。

（2）轻量级驱动系统设计

轻量级驱动系统设计不仅包括电机本身的轻量化，还包括与之配套的减速器、传动机构等部件的优化。

减速器优化：采用更轻的材料和更紧凑的设计，让减速器在保持传动比和效率的同时，实现“减重”。

传动系统创新：通过使用创新的传动方式，如直接驱动或无齿轮传动，可以减少传动部件的数量和复杂性，进而减轻重量。

模块化设计：模块化设计允许快速更换和升级机器人部件，同时保持系统的轻量化和灵活性。

智能控制算法：通过开发更智能的控制算法，可以更精确地控制机器人的运动，减少因过冲或过度控制而产生的能量浪费。

4. 能量效率管理

（1）能量回收与利用

理想情况下，通过使用能量回收系统，机器人在执行动作时产生的能量可以被收集并重新利用。

再生制动：在机器人减速或停止时，通过再生制动技术将动能转换为电能，存储于电池或其他能量存储系统中，供后续使用。例如，工业机器人在搬运重物时，下降过程中产生的能量可以通过再生制动回收，减少对电网的依赖。

能量存储系统：高效的电池技术和超级电容器等能量存储系统能够快速充放电，为机器人提供瞬时高功率输出，同时在能量回收时快速存储能量。

（2）低能耗运行策略

低能耗运行策略是实现机器人轻量化的另一关键技术，通过运动规划和优化控制算法，减少不必要的能量消耗。

运动规划优化：通过优化机器人的运动路径，减少冗余动作和非生产性能耗。例如，采用最短路径算法和动态规划技术，可以减少机器人在执行任务时的移动距离和时间，从而降低能耗。

智能控制算法：利用先进的控制算法，如模糊逻辑控制、神经网络和机器学习等，根据机器人的实时状态和环境变化，动态调整其运行参数，实现更加精确和节能的控制。

节能模式：在机器人的非工作状态下，通过降低系统功耗和进入休眠模式，减少能量消耗。例如，当机器人等待任务指令时，可以自动进入低功耗模式，减少待机能耗。

以上四点只是举例，机器人轻量化需要机械学、材料学、自动化、计算机和仿生学等多个学科的知识和技术支持，通过跨学科融合实现技术的突破和创新。

个人认为，机器人轻量化的根本价值和必然性，是有利于加速机器人向C端融入。如果我们粗浅地把机器人应用场景划分为“生产”和“生活”，那么在日常生活中与人相伴的机器人大多不能太重，太重的话一是不安全，二是不利于和人互动，三是费能源。机器人和汽车还不太一样，后者具有明确的工具属性，对人生活的参与度有限，而前者中的部分成员是一定要深入人们的生活细节中去的。那么“身轻如燕、体重适中、成本可控”就很重要了。