减重89%节能3% 机器人手指齿轮有新材料

不须润滑且低重量的塑胶齿轮，可让机器人更节能环保。图为Lubmer(左上)、金属与Lubmer制成齿轮(左下)、与实验机器手指(右)。早稻田大学

随工厂自动化、无人化展开，代替人力的机器人能耗成为环保与成本的新课题，因此主结构从金属换成塑胶或碳纤维的机器人开始增多，而日本最早推出人形机器人的早稻田大学(Waseda University)，在2022年公开新成果，推出聚乙烯制机器人关节驱动部位齿轮，开创可动与驱动部位轻量化的新局。

这次由早稻田大学、日本化学大厂三井化学(Mitsui Chemicals)、日本新材料研发企业Hide Kasuga 1896合作的产品，是机器人关节手指驱动齿轮，从传统铜制品换成2种三井化学的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料后，其中1种新材料Lubmer达成减重89%、耗能减低3%、且不须润滑油的成果。

常用在塑胶家具的聚乙烯(PE)，密度通常低于1，仅约碳纤维的50%、略高于铜的10%，是目前应用最广泛的塑胶材料，而UHMWPE是PE中强度特别高的材料，三井化学认为适用在一定负荷与转速的齿轮上，但有难以射出或溶融成型的问题，比较适合切削与挤压成型制程，且切削后的碎片也会是难处理的垃圾。

三井化学为此研发属于UHMWPE的特殊材料，该厂专利的Lubmer，兼顾UHMWPE机械强度同时又能射出成型，而且不需要润滑油，让系统更干净；而这次与早稻田大学及Hide Kasuga 1896合作，则是证实UHMWPE在工业用高负荷齿轮使用的可行性，以及宣传更环保的塑胶材料Lubmer。

实验用同形状齿轮有3种：密度8.8的CAC502铜合金标准齿轮、密度0.93的标准UHMWPE材料齿轮、密度0.97的Lubmer材料齿轮，制成后装在有3个关节的机器人手指上测试，为减低误差，Lubmer齿轮也采切削加工，与射出或溶融制程会有差异。

标准UHMWPE齿轮在3种齿轮中重量最低，Lubmer略高4%，但都明显低于铜齿轮；接着在同样动作的运作测试中，铜齿轮耗能38.3焦耳(J)，标准UHMWPE齿轮稍高为38.6J，Lubmer齿轮仅37.3J，明显最低且大于测量误差范围，足以证实有节能的效果。

聚乙烯过去被认为是不适合高强度环境的材料，这次实验证实Lubmer可用在一定负荷的环境，还能解决可动部位的润滑与噪音问题，是个值得期待的新方向。

责任编辑：毛履万亿