Ein grundlegender Bestandteil humanoider Hardware ist der Aktor, der für die physische Bewegung des humanoiden Roboters verantwortlich ist und es diesen ermöglicht, zu gehen, Objekte zu heben, Werkzeuge zu handhaben und mit ihrer Umgebung zu interagieren. Mit einer prognostizierten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 47 % für den Absatz humanoider Roboter im nächsten Jahrzehnt eröffnen sich neue Möglichkeiten für Materialhersteller und Komponentenlieferanten, in die Lieferkette dieses schnell wachsenden Marktes einzusteigen.


Aktueller Stand der Aktoren für humanoide Roboter:

Aktoren können linear oder rotatorisch sein und nutzen pneumatische, elektrische oder hydraulische Energie zur Bewegungserzeugung, wobei elektrische Aktoren bei den derzeitigen humanoiden Robotern am weitesten verbreitet sind. Laut einer Analyse von IDTechEx an mehr als 50 humanoiden Robotern und Prototypen verfügt ein humanoider Roboter typischerweise über 31 Aktoren (ohne Endeffektoren wie Greifer oder Fingerspitzen), was die Freiheitsgrade (DOF) um die Gelenke des humanoiden Skeletts bestimmt. Die Aktoren variieren zudem je nach den Anforderungen der einzelnen Gelenke. Beispielsweise werden für Handgelenke und Knöchel typischerweise kleinere Aktuatoren verwendet, während gewichtstragende Gelenke wie Hüfte und Knie größere, hochfeste Aktuatoren benötigen. Laut

einer Analyse von IDTechEx entfallen rund 56 % des Gewichts eines humanoiden Roboters allein auf seine Aktuatoren. Diese Systeme benötigen für wichtige Strukturbauteile starre, hochfeste Materialien wie Metalllegierungen (z. B. Stahl, Aluminium usw.). Darüber hinaus sind Seltenerd-Permanentmagnete (REPMs) wie NdFeB für die Aktuatormotoren humanoider Roboter unerlässlich, da sie eine hohe Drehmomentdichte, eine hohe Leistungsdichte und gleichmäßigere Drehmomentkurven ermöglichen. Der IDTechEx-Bericht „Materialien für humanoide Roboter: Technologien, Akteure und Prognosen“ liefert detaillierte Informationen zu den Materialanforderungen und beschreibt die Herausforderungen für Aktuatoren. Er enthält außerdem 10-Jahres-Nachfrageprognosen für wichtige Materialien, darunter Metalle und Seltenerd-Permanentmagnete.

Haben weiche Aktuatoren eine Zukunft?

Starre Aktuatoren eignen sich besonders gut für Bewegungen mit hohen Kräften und Belastungen, die eine hohe Präzision erfordern, wie sie häufig bei Gelenken humanoider Roboter vorkommen. Sie weisen jedoch Einschränkungen auf, darunter eine geringe Anpassungsfähigkeit an unstrukturierte Umgebungen, eine Stoßdämpfung, die sie anfällig für Stöße macht, sowie mechanischen Verschleiß und Materialermüdung. Darüber hinaus verwenden diese Systeme schwere Materialien wie Stahl (überwiegend) und Aluminiumlegierungen, was das Gewicht und die Größe des humanoiden Roboters erhöht und letztendlich die Mobilität und die Batterieeffizienz verringert.

Im Vergleich zu starren Aktuatoren ermöglichen weiche Aktuatoren, die auf „weichen“ Materialien – anstelle von Metallen – basieren, biomimetische Funktionen und ein Verhalten wie künstliche Muskeln. Typische Materialien für weiche Aktuatoren sind unter anderem elektroaktive Polymere, Formgedächtnislegierungen und piezoelektrische Materialien. Diese Materialien reagieren auf einen externen Reiz (z. B. Strom, Spannung, Temperatur, Druck, Magnetfeld usw.), um Bewegung zu erzeugen.

Diese Technologien befinden sich jedoch noch in der Entwicklungsphase und stellen einige Herausforderungen dar, die bewältigt werden müssen.

Obwohl die überwiegende Mehrheit der aktuellen humanoiden Designs starre Aktuatoren verwendet – und IDTechEx davon ausgeht, dass diese auch weiterhin die vorherrschende Option bleiben werden – könnten weiche Aktuatoren zukünftig eine Rolle spielen (beispielsweise in Hybrid-Designs). Sie würden in Bereichen eingesetzt, in denen menschenähnliche Bewegungen Priorität haben, während starre Aktuatoren für Bereiche mit hohen Belastungen beibehalten würden.

Ausblick:

Insgesamt konzentriert sich die humanoide Industrie derzeit auf die Standardisierung von Komponenten, die Optimierung von Designs für eine einfachere Fertigung und den Aufbau von Lieferketten. Dies führt auch zur Entstehung von Kooperationen zwischen humanoiden Originalgeräteherstellern (OEMs) und Aktuatorlieferanten, die traditionell die Automobilindustrie beliefern, um vorhandenes Know-how und Lieferketten zu nutzen. Die Gewichtsreduzierung ohne Beeinträchtigung der strukturellen Integrität ist ebenfalls eine zentrale Herausforderung für humanoide Aktuatoren. Langfristig werden Materialinnovationen ein Eckpfeiler für die Entwicklung humanoider Hardware der nächsten Generation sein, die in der Lage ist, die Herausforderungen aktueller Spitzentechnologien zu bewältigen.

In dieser entscheidenden Phase des Marktes für humanoide Roboter liefert der IDTechEx-Bericht „Materialien für humanoide Roboter: Technologien, Akteure und Prognosen“ wichtige Einblicke in den Markt und seine Trends und hebt vielversprechende neue Chancen für Material- und Komponentenlieferanten hervor. Der Bericht bietet eine detaillierte Analyse der Materialanforderungen und -strategien, Herausforderungen und Engpässe sowie einen Überblick über Lieferketten und Branchenakteure für wichtige Komponenten humanoider Roboter, darunter Aktuatoren, Strukturelemente (Rahmen, Gehäuse, Paneele und Verkleidungen), Wärmemanagement und taktile Sensoren. Der Bericht enthält außerdem 10-Jahres-Nachfrageprognosen, segmentiert nach Materialart, darunter Metalllegierungen (Stahl, Aluminium und Magnesium), Seltenerd-Permanentmagnete, technische Kunststoffe (z. B. PEEK, PC-ABS) und vieles mehr.