Bionische Muskeltechnologie überwindet die Defizite in der Flexibilität von Robotern und erweitert die praktischen Einsatzszenarien humanoider Roboter
Mit der rasanten Weiterentwicklung der Branchen für humanoide Roboter, flexible intelligente Fertigung und medizinische Rehabilitationsgeräte treten die Grenzen herkömmlicher starrer Antriebskomponenten immer deutlicher zutage. Die in der Branche weit verbreiteten Motoren, Zylinder und hydraulischen Antriebsmodule weisen Probleme wie hohes Gewicht, hohe Starrheit, geringe Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Interaktion und schlechte Umgebungsanpassungsfähigkeit auf, sodass sie den Anforderungen von Roboteranwendungen mit Leichtbauweise, Flexibilität und hoher Simulationsgenauigkeit kaum gerecht werden können. Als neue flexible Antriebstechnologie, die die mechanischen Eigenschaften der menschlichen Muskeln nachahmt, ist der bionische Muskel zu einem Kernbereich geworden, der die Engpässe bei der Markteinführung humanoider Roboter beseitigt. Das Projekt für bionische Muskeln plant, auf eigenständigen flexiblen Materialien und bionischen Antriebsalgorithmen aufzubauen, um die branchenüblichen Probleme herkömmlicher Roboter wie starke starre Stöße, hoher Energieverbrauch, unnatürliche Bewegungen und begrenzte Anwendungsbereiche gezielt zu lösen. In Zukunft wird es voraussichtlich die Grenzen der kommerziellen Nutzung von industriellen Kollaborationsrobotern, medizinischen Rehabilitationsrobotern und Haushaltsdienstrobotern erweitern.
Die branchenüblichen Probleme treten deutlich zutage, und herkömmliche Antriebslösungen behindern die großtechnische Umsetzung der Industrie
Derzeit ist die globale Bionik-Roboterindustrie in eine Phase der schnellen kommerziellen Nutzung eingetreten. Im Jahr 2025 überstieg der globale Markt für Bionik-Roboter ein Volumen von 8,74 Milliarden US-Dollar und behielt eine hohe Wachstumsrate von über 30 % bei, wobei humanoide Roboter und flexible Kollaborationsroboter zu den Schwerpunkten der Kapital- und Industriepositionierung geworden sind. Die technischen Mängel im Antriebsbereich sind jedoch nach wie vor das zentrale Problem, das die großflächige Verbreitung der Branche einschränkt.
Auf technischer Ebene weisen gängige Lösungen wie herkömmliche pneumatische Muskeln, Formgedächtnislegierungen und elektroaktive Polymere deutliche Mängel auf. Die Ermüdungslebensdauer pneumatischer Muskeln erreicht nur die Größenordnung von zehntausend Zyklen, was weit unter der Dauerhaltbarkeitsanforderung von über hunderttausend Zyklen für industrielle Anwendungen liegt. Zudem weisen sie einen deutlichen Bewegungsverzögerungseffekt und große Steuerungsfehler auf, was zu unzureichender Bewegungsgenauigkeit der Roboter führt. Der Antrieb mit Formgedächtnislegierungen zeichnet sich durch langsame Ansprechgeschwindigkeit und hohen Energieverlust aus. Bei langfristigem Betrieb entsteht leicht Wärmestau, sodass er die Anforderungen an einen hochfrequenten Dauerbetrieb nicht erfüllen kann. Gleichzeitig sind hochwertige bionische Antriebsmaterialien im Inland seit langem von Importen abhängig, wobei die Abhängigkeit von Importen von Kernmaterialien auf hohem Niveau liegt. Ausländische Patentbarrieren und Lieferkettenmonopole treiben die Hardwarebeschaffungskosten inländischer Roboterunternehmen stark in die Höhe.
Auf Anwendungsebene können Roboter mit herkömmlichem starrem Antrieb keine flexible Dämpfung realisieren. Bei der Berührung zwischen Mensch und Roboter entstehen leicht starre Stöße, was ein großes Sicherheitsrisiko darstellt und sie für Nahinteraktionsszenarien wie Haushaltsdienst, Altenpflege und Rehabilitation sowie industrielle Kollaboration auf kurze Distanz kaum geeignet macht. Gleichzeitig sind die meisten kommerziellen Robotergeräte sperrig und weisen einen hohen Energieverbrauch auf. Sie sind nicht ausreichend leicht und bionisch gestaltet, und die Flüssigkeit und Natürlichkeit ihrer Bewegungen reichen bei weitem nicht an die Effekte menschlicher Gliedmaßenbewegungen heran, was die Durchdringung humanoider Roboter in verschiedenen Szenarien stark einschränkt. Insgesamt betrachtet ist der Rückstand in der Antriebstechnologie zu einem entscheidenden Engpass geworden, der inländische humanoide Roboter daran hindert, von der Prototypenentwicklung zur großtechnischen kommerziellen Nutzung überzugehen.
Planung der eigenständigen Entwicklung von bionischer Muskeltechnologie und Positionierung von Kernlösungen für flexible Antriebe
Das Projekt für bionische Muskeln zielt auf den Bereich der Antriebe für flexible Roboter ab und führt vorbereitende Planungen durch. Es ist geplant, technische Durchbrüche in drei Richtungen zu erzielen: bionische Mechanikkonstruktion, modifizierte flexible Verbundwerkstoffe und präzise Steuerungs- und Antriebsalgorithmen. Das Ziel besteht darin, ein bionisches Muskelantriebssystem mit hoher Anpassungsfähigkeit, hoher Dauerhaltbarkeit und niedrigem Energieverbrauch zu schaffen, um einen Teil der herkömmlichen starren Antriebskomponenten zu ersetzen und die bestehenden technischen Mängel der Branche zu beheben.
Gemäß der Projektplanung wird im Bereich der Materialentwicklung versucht, die Barrieren für importierte Materialien zu durchbrechen und modifizierte nanoverbundene flexible Materialien zu entwickeln. Die Kernparameter der Materialien wie Dehnung, Rückstellvermögen und Ermüdungsbeständigkeit werden iterativ optimiert. Das Ziel besteht darin, die branchenüblichen Mängel herkömmlicher flexibler Komponenten wie Alterungsanfälligkeit, Bruchanfälligkeit und unzureichende Dauerhaltbarkeit zu beheben, die Abhängigkeit der Geräte von Hochstromversorgung und komplexen Wärmeabfuhrsystemen zu verringern, die gesamte Struktur des Roboters zu vereinfachen und den Energieverbrauch zu senken.
Auf Struktur- und Algorithmenseite plant das Projekt, die Bewegungslogik der Dehnung, Kontraktion und Dämpfung menschlicher Muskeln nachzubilden und eine integrierte bionische Antriebsstruktur zu entwerfen, um sich von den Fesseln herkömmlicher sperriger Getriebemodule zu befreien. Gleichzeitig wird ein passender dynamischer Steuerungs- und Antriebsalgorithmus entwickelt, um eine Reaktion im Millisekundenbereich zu erreichen. Die Kontraktionsamplitude, die Dehnungskraft und die Bewegungsfrequenz werden präzise gesteuert, um die Verzögerungsfehler herkömmlicher Antriebslösungen zu verringern und eine simulative, sanfte und stabile Ausgabe der Roboter-Gliedmaßenbewegungen zu realisieren. Durch das flexible selbstadaptive Dämpfungsdesign wird eine automatische Kraftentlastung bei Mensch-Roboter-Kontakt erreicht, sodass Sicherheitsrisiken durch starre Stöße vermieden und die Sicherheit der Mensch-Roboter-Interaktion verbessert wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen Antriebslösungen wird das geplante bionische Muskelsystem auf die Eigenschaften Leichtbauweise, niedriger Stromverbrauch, hohe Flexibilität und hohe Anpassungsfähigkeit setzen. Es ist vorgesehen, dass es mit Endgeräten wie humanoiden Robotern, flexiblen Manipulatoren, Rehabilitations-Exoskeletten und bionischen Bildungsrobotern kompatibel ist und über ein hohes Erweiterungspotenzial verfügt.
Vorgesehene vielfältige Geschäftsmodelle mit Fokus auf den Wachstumsmarkt für flexible Roboter
Das Projekt für bionische Muskeln führt vorbereitende Planungen für den B2B-Industriemarkt durch und plant, ein Geschäftsmodell aus "Verkauf von Hardwaremodulen + Technologielizenzierung + Entwicklung kundenspezifischer Lösungen" aufzubauen. Potenzielle Zielkunden sind Roboterhersteller, intelligente Ausrüstungsunternehmen und Forschungsinstitute für medizinische Geräte.
Im Rahmen der Projektplanung können standardisierte bionische Muskelantriebsmodule an kleine und mittlere Roboterhersteller geliefert werden, um inländische flexible Antriebskomponenten bereitzustellen, die nachgelagerten Unternehmen dabei zu helfen, die Kosten für die gesamte Geräteentwicklung und -produktion zu senken und die flexible Modernisierung ihrer Produkte umzusetzen. Für große Ausrüstungsunternehmen und führende Roboter-Marken können kundenspezifische Dienstleistungen für Strukturdesign, Algorithmusanpassung und Entwicklung von Antriebslösungen angeboten werden, um kundenspezifische Systeme entsprechend den Anforderungen verschiedener Szenarien wie industrielle Kollaboration, medizinische Rehabilitation und Sondereinsätze auszuliefern. Gleichzeitig plant das Projekt, das Modell der Technologielizenzierung zu erforschen und gemeinsam mit Unternehmen der Industriekette an der Umsetzung der Technologie zu arbeiten.
Betrachtet man den Marktraum, so verzeichnet die globale Branche für künstliche Muskeln ein stabiles und schnelles Wachstum. Im Jahr 2025 überstieg das Marktvolumen 300 Millionen US-Dollar, und es wird erwartet, dass es bis 2032 800 Millionen US-Dollar übersteigt, wobei die jährliche durchschnittliche Wachstumsrate bei etwa 15 % liegt. Mit der Beschleunigung der kommerziellen Nutzung humanoider Roboter, der Erweiterung der Altenpflege- und Rehabilitationsbranche sowie der Verbreitung der flexiblen intelligenten Fertigung wird die potenzielle Marktnachfrage nach bionischen flexiblen Antriebskomponenten kontinuierlich freigesetzt. Derzeit befindet sich das Projekt noch in der Phase der Ideenfindung und vorbereitenden Planung von Lösungen und hat noch keine physischen Prototypen hergestellt. In der Folge werden eine Reihe von Arbeiten wie Lösungsvalidierung, Prototypenentwicklung und Leistungstests vorangetrieben. Sobald die Technologie ausgereift ist, werden externe Kooperationen und Pilotimplementierungen durchgeführt.
In Zukunft plant das Projekt für bionische Muskeln, die Forschung und Entwicklung im Bereich der flexiblen Antriebstechnologie kontinuierlich zu vertiefen, die Materialeigenschaften stetig zu verbessern und Wege zur Kostensenkung zu erforschen. Es soll dazu beitragen, einige technische Lücken im Bereich der hochwertigen bionischen Antriebe im Inland zu schließen und die Entwicklung der inländischen humanoiden Roboterindustrie voranzutreiben.