随着人形机器人技术从实验室走向商业化和多样化应用场景，对其性能的要求日益严苛，特别是在运动效率、人机交互安全性以及环境适应性方面。
传统以金属为主要结构和驱动材料的机器人正面临着重量、刚性和能量消耗等方面的瓶颈。
高分子材料凭借其轻质、高强度、高韧性、可设计性强以及功能多样化等独特优势，正在成为推动人形机器人技术革命的关键力量。
本文旨在系统性地梳理和分析高分子材料在人形机器人三大核心系统——承重骨骼结构、驱动系统和仿生感知皮肤中的应用现状、性能指标及未来发展趋势，并指出当前研究中存在的挑战与空白。
01构建未来人形机器人的基石
进入21世纪第三个十年，人形机器人的发展目标已不再局限于完成预设的工业任务，而是更加注重其在复杂、非结构化环境中与人类共存、协作的能力。
为了实现这一目标，机器人的设计理念正经历一场从“刚性”到“刚柔并济”的深刻变革。高分子材料及其复合材料，因其能够模拟生物组织的力学特性和多功能性，为这场变革提供了物质基础。
从轻质高强的承重骨骼，到模仿肌肉的柔性驱动，再到能够感知微小压力的电子皮肤，高分子材料的应用贯穿了现代人形机器人的设计与制造全过程。它们不仅能显著降低机器人的自身重量，从而降低能耗、提升运动速度和续航能力，还能赋予机器人前所未有的柔韧性和安全性，这对于实现安全的人机交互至关重要。
本文将分别从骨骼、肌肉和皮肤三个仿生维度，深入剖析高分子材料的应用现状与前沿挑战。
02在承重骨骼结构中的应用
人形机器人的骨骼框架是其所有运动和负载的基础，其性能直接决定了机器人的动态响应能力和负载上限。为了在保证足够结构刚度和强度的前提下最大限度地减轻重量，研究人员正积极采用高性能的高分子复合材料替代传统的钢、铝合金等金属材料 。
2.1 核心骨骼材料：PEEK与碳纤维增强复合材料
聚醚醚酮 (PEEK)，是一种半结晶性的高性能热塑性聚合物，因其卓越的综合性能，在人形机器人骨骼结构中得到了广泛应用。PEEK材料不仅密度低(约1.3g/cm³，比铝轻50%)，还具备高强度、优异的耐磨性、自润滑性以及出色的耐疲劳性能。这些特性使其成为制造机器人关节、轴承和肢体框架的理想选择，能够确保在长期动态运动中保持结构稳定性和低磨损。
碳纤维增强聚合物 (CFRP) ，特别是以PEEK等热塑性聚合物为基体的CFRP，是实现人形机器人极致轻量化的首选材料。碳纤维提供了无与伦比的比强度和比刚度，而高分子基体则保证了结构的韧性和可成型性。通过采用CFRP制造机器人的躯干壳体、大臂、大腿等主要承重部件，可以实现显著的减重效果，从而提升机器人的运动效率和有效载荷。例如，碳纤维增强PEEK (CF/PEEK) 材料因其在循环载荷下的卓越抗疲劳性能，被认为是制造动态关节的理想材料。
热塑性聚氨酯 (TPU) 复合材料也展现出巨大潜力。通过添加碳纳米管 (CNT) 或玻璃纤维等增强体，可以大幅提升TPU的力学性能。研究表明，添加多壁碳纳米管可将TPU的拉伸强度从52MPa提升至62MPa，杨氏模量从412MPa提升至507MPa。而玻璃纤维增强的TPU复合材料，其拉伸强度甚至可以达到约662MPa，杨氏模量达到约1,790MPa，这使其有潜力应用于需要兼顾强度与韧性的机器人结构部件中。
2.2 疲劳寿命与可靠性：关键挑战与研究现状
人形机器人在行走、跑跳等动态过程中，其骨骼部件需承受数百万次乃至更多的循环载荷，因此疲劳寿命是衡量其可靠性的核心指标。
CF/PEEK复合材料在这方面表现突出，其在10⁶次循环下的疲劳强度可达120MPa，远优于铝合金的50MPa，这意味着更长的维护周期和更高的运行可靠性。然而，关于人形机器人中特定PEEK-CFRP混合结构部件的疲劳性能，目前仍缺乏系统性的、标准化的测试数据。
尽管有大量关于PEEK或CFRP材料自身在不同温度、频率和应力水平下的疲劳研究，但针对商业人形机器人中应用的具体混合骨骼组件，在特定工况(如30%极限强度下的三点弯曲循环载荷，并对比25°C和60°C环境)下的疲劳寿命(失效循环次数)、测试频率和失效模式的公开同行评审数据仍然非常有限。
研究表明，温度是影响疲劳寿命的关键因素，热循环会显著缩短复合材料的寿命这对于需要考虑电机发热等内部热源影响的人形机器人设计尤为重要。因此，建立针对机器人应用场景的复合材料疲劳数据库是当前亟待解决的课题。
03在驱动系统中的创新应用
驱动系统是人形机器人的“心脏”和“肌肉”，其性能决定了机器人的运动速度、力量和灵活性。传统的电机加减速器的驱动方案虽然成熟，但在功率密度、柔顺性和仿生性方面存在局限，例如本田ASIMO机器人的运动速度就曾受限于其驱动器的性能。基于高分子材料的软体驱动器，即“人工肌肉”，为解决这些问题提供了革命性的途径。
3.1 气动人工肌肉 (Pneumatic Artificial Muscles, PAMs)
PAMs通常由高分子弹性体制成(如热塑性聚氨酯TPU)，通过气压驱动实现收缩或伸展，从而模仿生物肌肉的功能。它们具有极高的功率重量比和天然的柔顺性，能够在与环境或人发生碰撞时提供缓冲，提高安全性。
性能指标：PAMs能够产生巨大的力量。例如，一个仅重50克的McKibben型人工肌肉，在5巴的气压下可以产生超过1000牛顿的力 。一些新型设计在低压(10.0 kPa)下也能产生高达20牛顿的力。在响应速度方面，虽然部分系统的上升时间约为0.11秒，但一些新型双功能聚合物材料已能实现毫秒级的快速切换。
研究空白：尽管PAMs的研究取得了显著进展，但在商业化高端人形机器人(如Boston Dynamics的Atlas)的关节中应用并公开发表其详细性能数据(毫秒级响应时间和牛顿级负载能力的实验结果)的研究，尤其是在2023-2025年期间，仍然鲜有报道。这表明将实验室原型转化为高动态、高精度人形机器人系统中的可靠部件仍面临挑战。
3.2 形状记忆聚合物 (Shape Memory Polymers, SMPs)
SMPs是一类能够在外加刺激(通常是热)下从临时形状恢复到原始形状的智能高分子材料。这一特性使其在机器人领域具有独特的应用价值，例如用于制造可变刚度的关节，通过控制温度实现关节的锁定和解锁。
工作原理与性能：SMPs的形状恢复通常发生在其玻璃化转变温度(Tg)或熔融温度(Tm)附近，这个相变温度范围通常在30°C至100°C之间，可以通过材料设计进行调节。其主要优势是驱动过程无噪音，且能够实现较大的形变。
控制与挑战：SMPs驱动器的主要挑战在于其响应速度较慢，特别是冷却恢复过程需要较长时间，这限制了其在高动态应用中的使用。为了实现精确控制，必须集成温度和位置传感器，并采用复杂的闭环反馈控制策略来管理加热和冷却过程。目前，关于SMPs在人形机器人肢体中的高精度定位控制(报告具体定位精度)和快速响应的研究仍处于探索阶段。
3.3 前沿探索：增材制造与自愈合驱动器
增材制造(3D打印)技术为设计和制造结构功能一体化的复杂软体驱动器开辟了新途径。研究人员正积极探索增材制造参数(如打印路径、层厚、填充密度等)对驱动器性能(如驱动速度和输出力)的影响 。然而，截至2025年，系统性地量化这些参数对集成于人形机器人肢体中的聚合物驱动器性能影响的同行评审研究依然不足。
自愈合聚合物为解决机器人长期服役过程中的材料损伤和疲劳问题提供了颠覆性的解决方案。这些材料能够在损伤后(如划痕或撕裂)自动修复，恢复其机械性能和功能完整性。研究表明，一些自愈合聚合物在室温下即可完成修复，愈合时间从几秒到几小时不等 并且在特定条件下机械强度恢复率可达100%。这些材料已被用于制作自愈合的软体抓手和人工肌肉原型。然而，将这些材料应用于承受高应力和循环载荷的人形机器人关节，并验证其对机器人运动连续性和长期可靠性影响的实际案例(尤其是在2023-2025年期间)，目前尚未在公开文献中找到。
04在仿生感知皮肤中的应用
为了让机器人能够安全地与人互动、灵巧地操作物体，必须为其配备类似人类皮肤的触觉感知系统。高分子材料是构建这种“电子皮肤”(e-skin)的理想基底材料，它不仅能提供必要的机械柔性，还能作为集成各种微型传感器的平台。
4.1 皮肤基底材料的力学性能要求
电子皮肤的基底材料需要模仿人类皮肤的柔韧性、延展性和生物相容性。高分子弹性体，如硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯，是目前最常用的选择。
力学匹配：为了实现逼真的物理交互，电子皮肤的力学性能应与人体皮肤相近。人体皮肤的杨氏模量范围很广，前臂皮肤约为0.11-2.5 MPa，而研究人员可以通过调整PDMS等材料的配方，使其杨氏模量精确地落在这个区间内。在延展性方面，人类手腕处的皮肤拉伸率可达20.4%，而一些商用弹性体材料(如Ecoflex)的断裂伸长率可高达800-1000%，为机器人关节等大形变区域的应用提供了充足的裕度。
耐久性与研究空白：电子皮肤的耐用性，特别是抗撕裂能力，对其长期稳定工作至关重要。然而，目前关于用于人形机器人的硅胶基电子皮肤材料的定量撕裂能(单位：J/m²)的实验测量数据非常缺乏。同样，这些关键的机械性能(如撕裂能和断裂伸长率)如何定量地影响嵌入式触觉传感器(如电容式传感器)的信噪比(SNR)，也是一个尚未被充分研究的领域。
4.2 传感性能与环境影响
电子皮肤通过在聚合物基底中集成传感器阵列来感知外部刺激，如法向压力和切向力 。聚合物基底的性能直接影响着传感器的表现。
基底对传感器的影响：基底的粘弹性会影响传感器的响应速度和空间分辨率。基底的厚度和硬度也会改变压力分布，从而影响触觉感知的精度。
环境因素的挑战：湿度是影响电子皮肤性能稳定的一个重要环境因素。水分子的吸收可能导致某些高分子材料(尤其是水凝胶)发生膨胀和模量变化，进而影响传感器的读数准确性。例如，皮肤水合度的增加会使其变得更柔软，可能改变传感器的灵敏度。尽管研究人员意识到了这一问题，并尝试通过使用PDMS等疏水性材料进行封装来减小湿度影响，但关于湿度变化对硅胶基电子皮肤的溶胀和模量变化的定量数据，及其对触觉传感器准确性的具体影响机制，仍有待深入研究。
05结论与未来展望
高分子材料无疑已经成为推动人形机器人技术向更轻、更快、更智能、更安全方向发展的核心驱动力。从提供高强度与轻量化统一的PEEK-CFRP复合骨骼，到赋予机器人柔顺运动能力的聚合物人工肌肉，再到使其获得精细触觉的仿生电子皮肤，高分子材料的应用正在深刻地重塑人形机器人的形态与功能。
然而，本文的分析也揭示了当前研究与应用中存在的若干挑战与空白：
数据标准化缺失：缺乏针对人形机器人复杂工况的、标准化的聚合物复合材料疲劳性能数据库，特别是在多轴载荷和变温环境下的数据。
性能转化鸿沟：实验室中先进的软体驱动器(如毫秒级响应的PAMs、自愈合执行器)在性能、可靠性和控制精度上，距离集成到商业化高动态人形机器人肢体中仍有较大差距。
机-电耦合机理不清：对于电子皮肤，其基底材料的宏观力学性能(如抗撕裂性、断裂伸长率)与嵌入式传感器的微观电学性能(如信噪比、精度)之间的定量关系尚不明确。
环境适应性不足：环境因素(如湿度、温度)对高分子基传感器和驱动器性能稳定性的影响机理及补偿策略仍需深入研究。
展望未来，高分子材料在人形机器人中的应用将朝着以下几个方向发展：
多功能一体化：开发集承重、驱动、传感、能量存储甚至自愈合功能于一体的智能高分子材料系统，实现机器人结构的高度集成化。
4D打印与智能制造：利用4D打印技术制造能够根据环境刺激自主变形和适应的机器人部件，实现“编程物质”在机器人领域的应用。
可持续与生命周期设计：随着机器人数量的增长，开发高性能、可回收或生物降解的聚合物材料，将成为机器人技术可持续发展的重要一环。
AI赋能的材料设计：借助人工智能和机器学习算法，加速新型高分子材料的发现与设计过程，按需定制满足特定机器人应用(如极端环境作业)性能要求的专用材料。
综上所述，高分子科学与机器人技术的深度融合，必将催生出性能更卓越、功能更强大、与人类社会更和谐共存的下一代人形机器人。