Welche Materialien Humanoide brauchen

Humanoide Roboter rücken zunehmend in den Fokus industrieller Anwendungen. Mit wachsender Marktreife stellt sich dabei auch die Frage, welche Werkstoffe sich für Gelenke, Aktuatoren und Außenstrukturen eignen – und wie sich die Anforderungen je nach Einsatzgebiet unterscheiden. Humanoide Roboter werden sowohl für industrielle als auch für nicht-industrielle Anwendungen entwickelt. Zu den möglichen künftigen Einsatzfeldern außerhalb der Industrie zählen unter anderem Pflege, Gastronomie oder Katastrophenhilfe. Kurz- bis mittelfristig setzen viele Hersteller jedoch zunächst auf industrielle Anwendungen.

Nach Analysen von IDTechEx („Humanoid Robots 2026–2036: Technologies, Markets, and Opportunities“) wurden bislang rund 80 Prozent der humanoiden Roboter und Prototypen für industrielle Einsatzumgebungen entwickelt. Gleichzeitig erwartet das Marktforschungsunternehmen, dass sich der Gesamtmarkt für humanoide Roboter um das Jahr 2030 einer Größenordnung von einer Million Einheiten annähern könnte. Mit zunehmender Verbreitung gewinnt damit auch die Materialauswahl an Bedeutung.

Gewicht wird zum entscheidenden Faktor

Humanoide Roboter für industrielle Anwendungen sind laut IDTechEx im Durchschnitt schwerer als Modelle für nicht-industrielle Einsatzfelder. Das durchschnittliche Gewicht liege bei etwa 78 kg. Einige humanoide Systeme auf Rädern bringen demnach mehr als 100 kg auf die Waage.

Das Gewicht ist insbesondere bei zweibeinigen Robotern ein kritischer Faktor. Eine hohe Masse belastet tragende Gelenke wie Hüfte und Knie und erhöht die Anforderungen an die Aktuatoren. Gleichzeitig müssen Hersteller ausreichend Batteriekapazität integrieren, um möglichst lange Betriebszeiten zu erreichen.

Einige Entwickler setzen deshalb auf humanoide Roboter mit Rädern. Diese Bauweise ermöglicht größere Batterien, ohne dass sämtliche Lasten über die Gelenke der Beine aufgenommen werden müssen. Zudem entfällt ein Teil der komplexen Balance-Regelung, die bei zweibeinigen Robotern insbesondere beim Tragen von Lasten erforderlich ist.

Batterien für Humanoide: Energiedichte ist der Schlüssel

Humanoide Roboter sollen künftig länger, autonomer und leistungsfähiger arbeiten. Damit rückt die Batterie in den Mittelpunkt der Entwicklung. Entscheidend sind Energiedichte, Ladezeit und Lebensdauer - und zunehmend auch Batteriewechselsysteme.

Redaktion Automation NEXT

Aktuatoren machen einen großen Teil des Gewichts aus

Das vergleichsweise hohe Gewicht industrieller Humanoider ist unter anderem auf den Einsatz hochfester Werkstoffe zurückzuführen. Metallische Materialien wie Stahl- und Aluminiumlegierungen tragen dabei erheblich zur Gesamtmasse bei. Besonders relevant sind die Aktuatoren. Nach Angaben von IDTechEx können sie mehr als die Hälfte des Gesamtgewichts eines humanoiden Roboters ausmachen.

Die darin eingesetzten Komponenten sind hohen mechanischen Belastungen und vielen wiederkehrenden Bewegungszyklen ausgesetzt. Zahnräder, Spindeln und weitere Bauteile benötigen deshalb Werkstoffe mit hoher Festigkeit, Härte, Verschleißbeständigkeit und Lebensdauer. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Fertigung. Bauteile wie Planetenrollengewindetriebe oder hochpräzise Verzahnungen müssen mit engen Toleranzen und reproduzierbarer Qualität hergestellt werden. Hinzu kommen Herausforderungen durch mechanischen Verschleiß und Materialermüdung.

Nicht-industrielle Roboter benötigen andere Materialkonzepte

Bei humanoiden Robotern für Anwendungen außerhalb der Industrie verschieben sich die Anforderungen teilweise.

Neben der strukturellen Stabilität spielen dort beispielsweise eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion und eine möglichst menschenfreundliche Gestaltung eine größere Rolle. Denkbar sind weichere Außenmaterialien, nachgiebige Strukturen oder zusätzliche Polsterungen. Werkstoff- und Komponentenhersteller müssen deshalb unterschiedliche Materialkonzepte für industrielle und nicht-industrielle Humanoide berücksichtigen.

Serienfertigung bleibt eine Herausforderung

Der Markt für humanoide Roboter bewegt sich derzeit schrittweise von Prototypen und Demonstratoren hin zu Pilotprojekten und ersten kommerziellen Anwendungen. Noch ist jedoch offen, in welchen industriellen Szenarien sich die Systeme langfristig wirtschaftlich einsetzen lassen.

Zudem liegen die tatsächlich realisierten Stückzahlen bislang teilweise unter den ambitionierten Produktionszielen verschiedener Anbieter. Weitere Herausforderungen bestehen bei Training, Sicherheit, Regulierung und Zertifizierung.

Ein wichtiger Punkt ist zudem die Überführung der bislang häufig prototypisch eingesetzten Materialien, Komponenten und Montageverfahren in eine skalierbare Serienfertigung. Konstruktionen, die für einzelne Demonstratoren funktionieren, müssen künftig reproduzierbar, kosteneffizient und in größeren Stückzahlen gefertigt werden können.

Damit wächst auch die Bedeutung von Werkstoff- und Komponentenlieferanten. Für sie entsteht ein potenziell großer Markt – gleichzeitig müssen sie sich auf sehr unterschiedliche Anforderungen an Gewicht, Festigkeit, Verschleißbeständigkeit, Sicherheit und Fertigbarkeit einstellen.