来源 | IEEE Electron Device Letters

链接 | https://doi.org/10.1109/HUMANOIDS65713.2025.11203109;

01

当机器人陷入 “热困境”—— 精度与寿命的双重考验

工业机器人正在汽车制造、3C 电子等领域实现 24 小时不间断作业，人形机器人更朝着动态仿人运动方向突破，其核心部件伺服电机（尤其是准直接驱动 QDD 电机）的功率密度已从传统 3kW 跃升至 10kW 以上。但随之而来的 “发烧” 问题正成为技术瓶颈：电机绕组温度每升高 10℃，绝缘寿命就会减半；永磁体在 120℃以上会发生不可逆退磁，直接导致定位精度从微米级跌至毫米级。

传统热管理方案已难以适配复杂工况。被动散热仅能应对低功率场景，液冷系统虽能提升 5-8 倍散热效率，却面临密封失效、管路复杂的风险；而人形机器人关节的狭小空间与仿人比例限制，又让额外散热部件的集成成为难题。更关键的是，低减速比电机为追求动态响应需消耗更大电流，加剧发热，而现有设计往往忽略热特性与结构的协同，导致重载或高频运动下频繁停机。

02

集中液冷 + 布局革新：人形机器人下肢的长效散热方案

针对人形机器人 QDD 电机低减速比导致的严重焦耳发热，以及传统液冷系统管路复杂、脚踝处 actuator 易因冲击泄漏的痛点，解决 “高功率下肢机器人长期作业与动态冲击场景下的散热可靠性” 问题。

该团队提出 “集中式液冷 actuator 结构”，将所有 6 个自由度的 actuator 集中布置于膝关节以上的大腿部位，通过统一冷却单元集体散热；采用内转子无刷电机搭配摆线减速器（19:1 减速比），电机与铝壳间填充导热环氧树脂，冷却通道侧置以扩大接触面积；开发适配多尺寸 actuator 的集总热容热模型，实现温度动态预测。

冷却接触面积较外转子电机方案提升 1.9-2.5 倍，管路接头数量减少 6 个，泄漏风险显著降低；物理实验中 0.4Hz 深蹲 1 小时，所有 actuator 温度 1000 秒后达到饱和，无热保护触发；成功完成踢球、跳跃等冲击性动作，无任何液体泄漏。

actuator 集中布置不仅能简化散热系统，还能降低下肢远端惯性，提升机器人动态性能；液冷系统与低惯性腿部结构的协同设计，是实现人形机器人长期高效作业的关键。适配 77Nm 峰值扭矩的高功率下肢 actuator，支持人形机器人 24 小时连续作业；可承受踢球、跳跃等冲击载荷，满足工业重载、动态仿人运动等场景需求；模块化设计支持风冷 / 液冷模式快速切换，降低机器人维护成本。

03

仿生排汗 + 结构一体：肌肉骨骼机器人的空间适配散热方案

针对肌肉骨骼人形机器人空间约束严苛、传统液冷部件占用额外空间的痛点，解决 “仿人比例限制下的高效散热与结构一体化” 难题，实现散热功能与骨骼支撑功能的融合。

受人体出汗启发，提出 “人工排汗” 冷却方案，采用激光烧结铝粉制备双层多孔骨骼结构（P3 层 + P8 层），骨骼内部作为流体通道，表面通过毛细现象渗出水分，利用潜热蒸发散热；P3 层（能量密度 57.8W/cm²）保证结构强度，P8 层（25.7W/cm²）控制水分渗出速率，防止泄漏。

热阻低至 3.3K/W，优于传统水冷（3.7K/W）和空冷（9.08K/W）；90W 电机在 36V 电压下，冷却速率较空冷提升 40% 以上；骨骼结构抗拉强度达 298.5MPa，满足人形机器人支撑需求；成功应用于 Kengoro 机器人上臂骨骼，支持连续俯卧撑动作。

机器人骨骼不应仅承担支撑功能，更应作为多功能集成载体；潜热散热与结构一体化设计，是解决空间受限场景下高效散热的创新方向。无需额外散热部件，完美适配仿人机器人 1:1 人体比例设计；电机可在低减速比（29:1）下持续输出 16.9kgf 扭矩，峰值 50kgf 扭矩可持续 60 秒；适用于肌肉骨骼机器人的肩、臂、腿等多部位，拓展机器人高强度作业时长。

04

具身机器人热管理技术的两大进化方向

两篇报道从不同维度回应了行业痛点：一偏向 “系统集成创新”，通过 actuator 布局优化与液冷系统的协同，解决高功率机器人的长期作业与冲击可靠性问题；文献二则聚焦 “结构功能融合”，将散热功能嵌入骨骼结构，突破空间约束下的高效散热瓶颈，共同指向机器人热管理的未来趋势：

·从分离设计到协同优化：不再将散热系统视为附加部件，而是与机器人运动结构、 actuator 布局深度融合，如集中式布置、骨骼一体化设计，实现性能与可靠性的双赢；

·从单一冷却到多机理协同：文献一的强制液冷与文献二的潜热蒸发，分别代表了主动冷却与被动冷却的高阶形态，未来将朝着 “精准控温 + 多机理互补” 方向发展；

·从静态设计到动态适配：通过热模型预测与结构优化，让散热系统适配机器人的动态运动状态，无论是连续作业还是冲击动作，都能保持稳定散热效果。

随着人形机器人向工业应用、消费场景普及，热管理技术将成为决定其作业效率与使用寿命的核心竞争力，这两篇顶刊研究为行业提供了 “结构 - 散热 - 性能” 协同设计的全新思路。