柔性执行器：人形机器人仿生肌肉的技术破局之路
2026年 人形机器人 行业正式从样机展示阶段迈入规模化试点与商业化落地周期，IDTechEx《 人形机器人 材料 2026-2036：技术、厂商、市场预测》报告指出，未来十年 人形机器人 整机销量复合年均增长率将达 47%，作为人形机器人硬件核心的执行器，成为了决定产品性能、落地场景与供应链格局的关键零部件。
当前主流人形机器人均采用 电机 + 减速器 构成的刚性执行器方案，一台标准人形机器人除去末端灵巧手，全身平均搭载31个刚性执行器，大约占整机重量56%，合金钢、铝合金、钕铁硼稀土永磁是核心制造材料。刚性执行器凭借高扭矩、高精度支撑机器人完成行走、负重等基础动作，但与生俱来的刚性缺陷，使其难以适配家庭、医疗、商超等与人紧密交互的非结构化场景。在此背景下，以 仿生肌肉 为设计内核的 柔性执行器 （Soft Actuator）成为行业技术研发焦点，有望弥补刚性方案短板，构建 “刚性承重 + 柔性柔顺” 的刚柔混合人形驱动架构，推动机器人从工业机械体向类生命智能体进化。
图1 现在人形机器人身体31个刚性执行器分布 刚性执行器的固有技术瓶颈
目前特斯拉 Optimus、Figure 02、Agility Digit 等商业化人形机器人，均采用永磁同步电机搭配谐波/行星减速器的刚性驱动方案，整套系统由电机、齿轮连杆、力矩传感器、滚珠丝杠组成，拥有定位精准、峰值扭矩大、闭环控制成熟、供应链完善四大优势，是支撑髋、膝等重载关节的唯一成熟方案。但金属刚性结构带来五大无法通过算法优化的底层缺陷，成为人形机器人走进人类生活的核心阻碍。
（一）人机交互安全性缺失，冲击损伤风险高
刚性执行器机械阻抗大、无天然柔顺缓冲能力。机器人与人、环境发生碰撞、挤压、摔倒时，冲击能量无法被结构吸收，只能直接传导至人体或自身零部件。在家庭护理、养老陪护等场景，机器人意外磕碰极易造成人体擦伤、挤压伤；同时刚性齿轮、连杆在瞬时冲击下易出现断齿、轴承变形、永磁体开裂等硬件损坏，大幅提升设备维护成本与故障率。对比人体肌肉可形变吸能、缓冲减震的生物特性，纯刚性机器人不具备安全共存的底层硬件基础。
（二）整机重量偏大，续航与运动灵活性受限
执行器自重占据整机 56%，钢、铝金属结构件密度高，为满足关节扭矩需求，髋、膝、肩部重载执行器体积与重量进一步放大。机身增重带来连锁负面效应：一是行走、摆动动作能耗上升，同等电池容量下续航大幅缩水；二是肢体惯性大，快速转向、精细操作时控制滞后，动作僵硬、仿生度低；三是轻量化改造陷入矛盾，降低金属用量会直接削弱关节承载能力，无法兼顾轻量化与负载性能。
（三）非结构化环境适配能力差，精细操作存在盲区
刚性传动结构形变区间极小，抓取柔软、易碎物体时，仅依靠力矩传感器做被动力控调节，响应存在延迟。抓取鸡蛋、水果、织物等软质物品极易发生挤压破损；在凹凸地面、杂乱家居环境中，脚踝、手腕刚性关节无法自适应微小地形起伏，步态稳定性、操作容错率偏低。人类手部拥有 27 个自由度、数十组肌肉协同完成自适应抓握，而刚性灵巧手受电机、齿轮体积限制，自由度难以突破 15 组，精细仿生操作存在天然天花板。
（四）长期运行疲劳损耗严重，材料寿命存在短板
合金钢、铝合金、齿轮等刚性部件持续往复运动，会产生持续机械磨损、结构疲劳；稀土永磁电机长期高负荷运转易出现退磁、温升超标问题。整机 31 个执行器同步损耗下，机器人整机大修周期短，难以满足家用设备长期稳定使用的需求。同时稀土永磁、高端减速器供应链依赖特种材料，长期量产存在成本与供应链安全压力。
（五）能量转化效率存在天花板
刚性电机传动链路包含多级齿轮摩擦损耗，能量从电能转化为机械运动的损耗较高；且刚性结构无法像生物肌肉一样储存、释放弹性势能，行走、跳跃等动态动作中大量动能直接耗散，进一步加剧电池能耗负担。
图2 介电弹性执行器的原理和承重测试 柔性执行器 五大主流技术路线
柔性执行器 摒弃金属刚性传动逻辑，依靠电、热、气压、磁场等外部刺激，驱动电活性聚合物、形状记忆合金、弹性硅胶等柔性材料产生形变，直接输出拉力、推力，完整复刻人体肌肉 “信号刺激 — 形变收缩 — 驱动骨骼” 的仿生运动逻辑。当前行业已形成五大成熟技术路线，各自适配人形机器人不同部位的差异化需求，技术特性、商业化进度差异显著。
（一）气动人工肌肉（PAM，McKibben 肌肉）—— 商业化程度最高的柔性方案
气动人工肌肉是现阶段唯一进入样机小规模测试的柔性执行器，核心结构为橡胶气囊外部包裹编织网，通入压缩空气后气囊径向膨胀、轴向收缩，模拟骨骼肌收缩发力。
核心优势 ：功率重量比可达数百 W/kg，远超人体肌肉 50-100W/kg 指标，轻量化同时输出拉力强；天然柔顺，碰撞时气压自动缓冲，无刚性冲击；材料以硅胶、纺织纤维为主，成本低廉、结构简单。在灵巧手、小臂辅助关节场景可实现自适应抓取，抓取力度随物体形变自动调节，完美解决刚性手易碎物品抓取难题。
核心短板 ：整套系统必须配套空压机、储气罐、电磁阀，外置气路导致整机体积庞大、运行噪音高；气体压缩带来能量转换损耗，整机能效低于电动刚性执行器；密封结构长期使用存在漏气风险，循环寿命受限。
人形适配场景 ：仿生灵巧手、上肢辅助柔顺关节、康复外骨骼，不适合腿部、全身一体化量产机型。
（二）介电弹性体执行器（DEA，电活性聚合物）—— 最接近生物肌肉的电驱动方案
DEA 被行业定义为 “纯电人工肌肉”，由两层柔性电极夹持弹性介电薄膜构成，施加千伏级高压后静电作用力压缩薄膜厚度，平面横向扩张产生形变运动，仅依靠电信号即可驱动，无需流体辅助系统。
核心优势 ：功率密度理论性能超越人体肌肉，整机质量极轻，同等输出力下重量仅为刚性电机的 1/10；毫秒级响应速度，动作连续顺滑、静音无振动；形变范围大，适合面部仿生、五指微型驱动等精细柔性场景。
核心短板 ：驱动电压高达数千伏，配套高压驱动电路复杂，存在漏电安全隐患；柔性电极、弹性薄膜长期反复拉伸易老化破损，使用寿命短；输出绝对力值偏低，无法用于重载关节。
人形适配场景 ：机器人面部仿生、五指灵巧手指尖驱动、仿生电子皮肤触觉联动模块。
（三）形状记忆合金（SMA，镍钛合金）—— 微型静音柔性驱动方案
主流材料为镍钛记忆合金丝，通电焦耳加热后，材料从可变形马氏体相转变为刚性奥氏体相，恢复预设形状产生收缩拉力；冷却后恢复柔性可拉伸状态，循环往复实现驱动。
核心优势 ：体积微小、无流体、无电机齿轮，整机结构极简；运行全程无噪音，力密度高，适合空间受限的微型关节；无需气泵、高压电源等外置设备，集成难度低。
核心短板 ：依靠加热 - 冷却循环工作，响应速度慢，工作频率仅 1-5Hz；持续通电加热能耗高，散热结构增加整机重量；材料存在形变漂移，需要 AI 算法持续校准控制参数。
人形适配场景 ：微型灵巧手指关节、颈部微调机构、眼部仿生驱动模块。
（四）液压柔性执行器
以高压液体作为形变驱动介质，依靠液体压力推动柔性腔体伸缩，早期波士顿动力学 Atlas 机型采用混合液压方案。优势是瞬时爆发力强、负载上限高、力控精度稳定；但整套液压管路、油泵、储液罐重量大、维护复杂、存在液体泄漏污染风险，不符合人形机器人轻量化、家用洁净使用需求，当前行业研发投入持续缩减，仅用于重型工业人形样机。
（五）磁驱动柔性执行器
依靠外部磁场控制磁性柔性复合材料形变，优势是无电气接触、防水防尘；但磁场控制装置体积庞大，难以集成于小型人形关节，目前仅停留在实验室基础研究阶段，短期不具备产业化落地条件。
图3 上肢执行器中刚性和柔性执行器配合工作示意 柔性执行器对人形机器人的核心技术价值
柔性执行器并非为完全替代刚性电机而生，其核心价值是补齐刚性驱动在仿生、安全、轻量化、精细交互四大维度的短板，构建刚柔耦合的新一代人形机器人硬件体系，支撑机器人落地家庭、医疗、养老等增量市场。
首当其冲的是底层安全重构，实现人机无隔离共存， 这是柔性执行器最不可替代的核心价值。刚性机器人依靠力矩传感器做被动安全防护，属于 “碰撞后补偿”；柔性执行器具备 本征柔顺性 ，属于 “碰撞前缓冲”。发生人体接触、意外撞击时，柔性材料自主形变吸收冲击能量，大幅降低碰撞作用力，无需额外复杂安全算法即可满足家用机器人安全标准，打破人形机器人只能在隔离工业车间使用的场景限制，打通陪护、家政、教育等人机共生赛道。
其次从技术上实现轻量化降能耗，提升整机续航与运动仿生度。 柔性执行器主体采用硅胶、高分子聚合物、纺织材料等低密度非金属原料，对比合金钢、铝合金刚性模组重量大幅降低。若手臂、手腕、手指等非承重关节替换柔性执行器，整机自重可显著下降，直接降低行走、摆臂动作能耗，延长电池续航；同时肢体惯性减小，动作更接近人类自然流畅的运动特征，提升仿生交互体验。
同时还可以解锁非结构化场景精细操作能力， 刚性灵巧手受齿轮体积、刚性传动限制，自适应抓取能力弱；柔性灵巧手通过气动、DEA 柔性驱动，单根手指可独立自适应曲面、软质物体，实现捏取葡萄、端水杯、折叠衣物、操作易碎餐具等生活化精细任务。同时柔性执行器可与柔性触觉传感器、电子皮肤一体化集成，实现压力、温度同步感知，让机器人拥有类人触觉感知能力，适配护理、餐饮服务等精细化作业场景。
柔性执行器的目标是构建刚柔混合架构，平衡负载与柔顺需求。 IDTechEx 行业判断，中长期刚性执行器仍为主流重载方案，但未来人形机器人将全面采用 刚柔混合驱动架构 ：髋、膝、肩等承受身体自重、重物负载的核心关节保留高扭矩刚性电机模组，保证负重行走能力；手腕、手指、小臂、颈部、面部等侧重柔顺交互、精细动作的部位搭载柔性执行器，兼顾承载力与仿生柔顺性，完美复刻人体 “骨骼承重、肌肉柔顺驱动” 的生物结构，兼顾性能与场景适配性。
最终目的，拓宽下一代机器人硬件创新赛道。 当前人形机器人行业竞争集中在 AI 算法、电机算力、减速器性能层面，同质化竞争严重；柔性执行器依托新材料体系，开辟全新技术竞争维度。未来人形机器人的综合竞争力将是 “AI 大脑 + 刚性骨骼 + 柔性肌肉 + 触觉皮肤” 完整仿生系统的比拼，材料、柔性驱动、柔顺控制算法将成为企业差异化技术壁垒，催生高分子弹性材料、柔性传感器、特种驱动芯片等全新供应链赛道。
柔性执行器产业化现存技术障碍
尽管技术优势明确，当前全行业人形机器人仍以纯刚性方案为主，柔性执行器规模化落地存在四大难以短期攻克的技术瓶颈： 第一，非线性控制难度极高。刚性电机可通过标准 PID 算法实现精准位置闭环；柔性材料形变受压力、温度、疲劳程度多重因素影响，运动模型高度非线性，必须搭配机器学习、AI 实时预测算法，控制芯片算力、软件开发成本大幅提升。 第二，材料疲劳寿命不足。柔性高分子、弹性薄膜长期往复拉伸、压缩，会出现老化、形变衰减、密封失效等问题，循环寿命远低于金属齿轮模组，无法满足家用机器人数年连续使用的需求。 第三，系统集成配套复杂。气动方案需要气泵管路、DEA 需要高压电源、SMA 需要散热结构，额外配套组件抵消柔性本体轻量化优势，整机集成设计难度陡增。 第四，能量转化效率短板突出。气动、SMA 驱动能量损耗链条长，同等续航需求下电池容量需要扩容，削弱轻量化带来的能耗收益。
落地节奏
结合 IDTechEx 十年材料预测报告与全球科研机构研发进度，柔性执行器产业发展将分为三个阶段，与人形机器人商业化进程深度绑定。
短期（1-3 年）：单点部件落地，柔性执行器仅用于灵巧手、康复外骨骼细分产品，整机仍采用纯刚性架构。气动人工肌肉率先实现小规模商用，DEA、SMA 用于科研、医疗特种仿生设备。
中期（3-7 年）：刚柔混合架构量产落地，头部整机厂商推出刚性关节 + 柔性手部 / 小臂的混合机型，用于家政、陪护试点场景；柔性材料配方、驱动控制算法持续迭代，寿命、能效短板逐步改善。
长期（7-10 年）：新型低能耗电驱动柔性材料成熟，轻量化、长寿命柔性执行器逐步替代中小负载刚性模组，全身仿生柔性人形机器人进入大众消费市场，完整复刻人体肌肉驱动体系。
从行业长期逻辑看，材料创新是下一代人形机器人硬件突破的核心基石。刚性金属驱动方案解决了机器人 “有力行走” 的基础需求，而柔性执行器将解决机器人 “安全、自然、精细与人交互” 的核心痛点。未来十年，柔性人工肌肉相关高分子、传感、驱动技术，将成为人形机器人供应链最重要的增量创新方向，推动行业从机械自动化真正迈向仿生智能时代。
主题：刚性执行器