Die Muskeln der nächsten Robotergeneration

Die Branche für humanoide Robotik vollzieht derzeit den Übergang von der Entwicklung von Prototypen und Demonstrationsmodellen hin zu strukturierten Pilotanwendungen und einer ersten kommerziellen Nutzung. Der neue Bericht von IDTechEx „Materials for Humanoid Robots 2026–2036: Technologies, Players, Forecasts“ geht davon aus, dass die Jahre 2026 und 2027 entscheidende Übergangsjahre darstellen werden. Immer mehr Marktteilnehmer dürften sich von der Pilot- und Testphase in Richtung Produktionsreife und eines ersten Hochlaufs in größeren Stückzahlen bewegen.

Eine zentrale Komponente der Hardware humanoider Roboter ist der Aktuator. Er ist für die physische Bewegung des Roboters verantwortlich und ermöglicht es humanoiden Systemen, zu gehen, Gegenstände anzuheben, Werkzeuge zu handhaben und mit ihrer Umgebung zu interagieren. Da für den Absatz humanoider Roboter in den kommenden zehn Jahren eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 47 Prozent erwartet wird, eröffnen sich für Werkstoffhersteller und Komponentenlieferanten neue Möglichkeiten, Teil der Lieferketten dieses schnell wachsenden Marktes zu werden.

Aktuatoren in humanoiden Robotern: der aktuelle Stand

Aktuatoren können linear oder rotatorisch ausgeführt sein und pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch angetrieben werden. Bei den derzeitigen humanoiden Robotern kommen elektrische Aktuatoren am häufigsten zum Einsatz. Nach einer Analyse von IDTechEx, die mehr als 50 humanoide Roboter und Prototypen umfasst, verfügt ein humanoider Roboter typischerweise über 31 Aktuatoren. Nicht berücksichtigt sind dabei Endeffektoren wie Greifer oder hochbewegliche, sogenannte dexteröse Hände. Die Aktuatoren ermöglichen die verschiedenen Freiheitsgrade (Degrees of Freedom, DOF) an den Gelenken des humanoiden Roboters.

Art und Größe der Aktuatoren unterscheiden sich je nach den Anforderungen des jeweiligen Gelenks. Hand- und Fußgelenke verwenden beispielsweise in der Regel kleinere Aktuatoren, während tragende Gelenke wie Hüfte und Knie größere und besonders robuste Aktuatoren benötigen. Nach Schätzungen von IDTechEx entfallen rund 56 Prozent des Gesamtgewichts eines humanoiden Roboters allein auf die Aktuatoren. Diese Systeme sind bei ihren wesentlichen Strukturkomponenten auf steife und hochbelastbare Werkstoffe wie Metalllegierungen – beispielsweise Stahl und Aluminium – angewiesen. Darüber hinaus spielen Seltenerde-Permanentmagnete (Rare-Earth Permanent Magnets, REPM) wie Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) eine entscheidende Rolle für die Motoren der Aktuatoren humanoider Roboter. Sie ermöglichen eine hohe Drehmoment- und Leistungsdichte sowie gleichmäßigere Drehmomentverläufe.

Der IDTechEx-Bericht „Materials for Humanoid Robots: Technologies, Players, Forecasts“ bietet detaillierte Einblicke in die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe und beschreibt die Herausforderungen bei Aktuatoren. Darüber hinaus enthält er Zehnjahresprognosen zur Nachfrage nach wichtigen Werkstoffen, darunter Metalle und Seltenerd-Permanentmagnete.

„US-Abschottung als Chance verstehen“

Die Entscheidung der USA zukünftig unter anderem den Import humanoider Roboter und vergleichbarer Systeme zu untersagen, hat die Branche in Aufregung versetzt. Michael Mayer-Rosa von Delta Electronics in Stuttgart, betont die Chancen für europäische Technologieunternehmen, die so zu mehr und mehr Eigenständigkeit gezwungen werden

Redaktion Automation NEXT

Haben Soft-Aktuatoren eine Zukunft?

Starre Aktuatoren eignen sich insbesondere für hochbelastbare Bewegungen und hohe Lasten, die mit großer Präzision ausgeführt werden müssen – Anforderungen, die bei den Gelenken humanoider Roboter häufig eine zentrale Rolle spielen. Allerdings weisen solche Systeme auch Einschränkungen auf. Dazu zählen unter anderem eine begrenzte Anpassungsfähigkeit an unstrukturierte Umgebungen, eine unzureichende Stoßabsorption und die damit verbundene Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen sowie mechanischer Verschleiß und Materialermüdung.

Hinzu kommt das Gewicht: Starre Aktuatoren verwenden vor allem schwere Werkstoffe wie Stahl und Aluminiumlegierungen. Diese erhöhen sowohl das Gewicht als auch das Bauvolumen des humanoiden Roboters. In der Folge können Beweglichkeit und Batterieeffizienz beeinträchtigt werden.

Eine mögliche Alternative stellen sogenannte Soft-Aktuatoren dar. Im Gegensatz zu starren Aktuatoren auf Metallbasis kommen bei ihnen „weiche“ beziehungsweise flexible oder funktionale Materialien zum Einsatz. Dadurch können Aktuatoren biomimetische Eigenschaften erhalten und sich ähnlich wie künstliche Muskeln verhalten.

Zu den typischen Materialien für Soft-Aktuatoren zählen unter anderem:

• elektroaktive Polymere,

• Formgedächtnislegierungen,

• piezoelektrische Materialien.

Diese Werkstoffe reagieren auf äußere Reize wie elektrischen Strom, Spannung, Temperatur, Druck oder Magnetfelder und erzeugen dadurch Bewegung. Allerdings befinden sich diese Technologien noch weitgehend in der Entwicklungsphase. Bevor sie in größerem Umfang in humanoiden Robotern eingesetzt werden können, müssen noch verschiedene technische Herausforderungen gelöst werden.

Obwohl die große Mehrheit der heutigen humanoiden Roboter auf starre Aktuatoren setzt und IDTechEx davon ausgeht, dass diese Technologie auch weiterhin dominieren wird, könnten Soft-Aktuatoren künftig eine ergänzende Rolle übernehmen. Denkbar sind beispielsweise hybride Konstruktionen, bei denen Soft-Aktuatoren überall dort eingesetzt werden, wo menschenähnliche und besonders flexible Bewegungsabläufe im Vordergrund stehen. In Bereichen, die hohe Lasten aufnehmen müssen, könnten dagegen weiterhin starre Aktuatoren zum Einsatz kommen.

Ausblick

Insgesamt konzentriert sich die humanoide Robotikbranche derzeit darauf, Komponenten zu standardisieren, Konstruktionen hinsichtlich ihrer Fertigbarkeit zu optimieren und belastbare Lieferketten aufzubauen. In diesem Zusammenhang entstehen zunehmend Partnerschaften zwischen Herstellern humanoider Roboter und Aktuatorlieferanten, die traditionell die Automobilindustrie beliefern. Auf diese Weise können bestehendes Know-how, etablierte Fertigungsprozesse und vorhandene Lieferketten genutzt werden.

Eine weitere zentrale Herausforderung bei Aktuatoren für humanoide Roboter ist die Gewichtsreduzierung, ohne dabei die strukturelle Integrität und Belastbarkeit zu beeinträchtigen. Langfristig werden deshalb Innovationen im Bereich der Werkstoffe eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der nächsten Generation humanoider Hardware spielen. Neue Materialien und Materialkonzepte könnten dazu beitragen, einige der Herausforderungen zu lösen, mit denen heutige Spitzentechnologien noch konfrontiert sind.

In dieser entscheidenden Entwicklungsphase des Marktes für humanoide Robotik liefert der IDTechEx-Bericht „Materials for Humanoid Robots: Technologies, Players, Forecasts“ wesentliche Markteinblicke und Informationen zu aktuellen Trends. Zugleich zeigt er neue Marktchancen für Werkstoffhersteller und Komponentenlieferanten auf. Der Bericht bietet eine detaillierte Analyse der Werkstoffanforderungen und technologischen Roadmaps, untersucht Herausforderungen und Engpässe und gibt einen Überblick über Lieferketten und Marktteilnehmer für die wichtigsten Komponenten humanoider Roboter.

Dazu zählen insbesondere:

• Aktuatoren,

• Strukturelemente wie Rahmen, Gehäuse, Verkleidungen und Haut,

• Systeme für das Wärmemanagement,

• taktile Sensoren.

Darüber hinaus enthält der Bericht Zehnjahresprognosen zur Materialnachfrage, aufgeschlüsselt nach verschiedenen Werkstoffgruppen. Dazu gehören unter anderem:

• Metalllegierungen wie Stahl, Aluminium und Magnesium,

• Seltenerd-Permanentmagnete,

• technische Kunststoffe wie PEEK und PC-ABS,

• sowie weitere für humanoide Roboter relevante Werkstoffe.

Damit verdeutlicht die Analyse, dass der erwartete Hochlauf humanoider Robotik nicht nur für Roboterhersteller selbst neue Märkte schafft. Auch für die Werkstoff- und Komponentenindustrie entstehen erhebliche Chancen – insbesondere dort, wo es gelingt, Gewicht, Leistungsdichte, Belastbarkeit, Energieeffizienz und Beweglichkeit der nächsten Generation humanoider Roboter miteinander in Einklang zu bringen.