«Актуаторы — жемчужина в короне движущих частей робота, — говорит Джонатан Айткен из Университета Шеффилда. — Тот, кто наладит их производство, станет дороже, чем TSMC. Но сейчас их разработкой не занимается почти никто».

Планетарные роликовые винты становятся ключевым — и очень дорогим — элементом следующего поколения роботов. Tesla хвастается новыми дизайнами, Китай спешит взять их производство под контроль, а большинство людей даже не знает, из-за чего весь сыр-бор.

Тем временем революция в области гуманоидной робототехники уже на пороге. Экспериментальные модели работают плечом к плечу с людьми на разных фабриках по всему миру, а разработчики ИИ создают новые фундаментальные архитектуры, чтобы роботы могли ориентироваться в пространстве так же свободно, как человек.

Но каким бы ни был умным «мозг» такого робота, без «скелета» ему никуда. А этот скелет состоит из множества механических компонентов. Кроме подшипников, моторов и шестерёнок, в каждом гуманоиде должны стоять десятки (лучше — сотни) специальных винтов, которые превращают вращательное движение мотора в поступательное, позволяя пальцам двигаться, а ногам ходить.

До недавнего времени в роботах в основном использовалась гидравлика или шариковые винты, в которых по резьбе между гайкой и валом циркулируют стальные шарики. Но сейчас им на смену приходит намного более мощный и выносливый компонент — планетарный роликовый винт (planetary roller screw, PRV). Исследователи Morgan Stanley в отчёте за февраль 2025 года предсказывают, что «со временем планетарные роликовые винты будут использоваться в большинстве гуманоидных роботов, составляя основу новой индустрии».

Работа механизма PRV

Почему они важны?

Актуаторы, электрические линейные приводы, — основная система для движения любого робота. Можно сказать, что робот — это не более чем ПК с движущимися частями. Или, другими словами, гуманоидный робот сейчас — это ПК с актуаторами и датчиками.

Первые роликовые винты начали использоваться для создания линейного движения ещё в 1942 году. Они изредка применялись в хирургических аппаратах и системах развертывания спутников, а потом, чуть чаще, — в электромобилях. Видимо, оттуда их для своих роботов позаимствовала Tesla, которая сейчас становится одним из главных дизайнеров новых актуаторов, планетарных винтов.

Преимущество таких механизмов — высокая точность. Они могут в любой момент прекратить вращение, продвинувшись вперёд ровно на нужное число миллиметров. К тому же эти винты способны выдерживать огромные нагрузки и служат дольше. Это критически важно, ведь роботы в идеале должны будут работать годами в условиях интенсивного износа (= ежечасной ходьбы, постоянного разгибания рук и ног).

За пределами медицины и космоса о планетарных винтах ещё недавно толком никто не знал. В 2024 году объем их рынка составил $1,8 млрд. Но уже в 2025-м, ожидается, он достигнет $11,24 млрд (рост — 525%). А ещё через несколько лет — больше $30 млрд. По словам Джека Ли, менеджера китайской компании Nanjing Process Equipment, мировой рынок этих винтов в следующее десятилетие будет расти минимум по 30% в год.

Актуаторы уже называют «жемчужиной в короне движущих систем робота». Так, например, говорит Джонатан Айткен, эксперт по робототехнике из Университета Шеффилда:

Они отличаются высокой точностью, поскольку эффективно преобразуют вращательное движение в линейное с минимальными погрешностями. Традиционно линейные приводы не подходят для высоких нагрузок, а вращательные — для точности движений. А здесь мы получаем одновременно и мощность, и точность. Лучшее из обоих миров.

Прочность и долговечность в сравнении с другими механизмами, высокая грузоподъемность (в 3-5 раз выше, чем у шарико-винтовых пар), долгий срок службы (в среднем в 15 раз выше, чем у обычных винтов), высокая эффективность (PRV полностью преобразует мощность двигателя в линейное движение). В чём же тогда минус?

Понятно, цена.

Производство актуаторов требует высокой точности и редких инженерных навыков, которыми пока обладают лишь очень немногие компании в мире: Tesla, Figure AI, Agility Robotics, 1X и несколько китайских производителей гуманоидных роботов.

По словам Скотта Уолтера, ведущего специалиста по дизайну роботов и технического советника Visual Components: «На каждый гуманоид уходит 40 и более актуаторов. А это значит, что спрос огромен. Но никто не рискует его удовлетворить, потому что никто не знает, какие дизайны приживутся».

Самым заметным для публики здесь стал пример Tesla Optimus. Собственно, они и вывели «планетарные роликовые винты» снова в мейнстрим. Модель прошлого поколения (прототип был представлен в 2022 году) у них содержала 28 подвижных суставов. Из них 14 были актуаторами шести разных типов (три линейных и три поворотных).

Большинство линейных актуаторов (8 штук) сидели в ноге робота. Они очень специфичны, каждая заточена под свою задачу. Но в целом механизм способен выдерживать огромный вес:

У таких винтов много ограничений. Они имеют определенную роль и не будут особо полезны для любого другого применения, кроме гуманоидных ног. К тому же они могут двигаться всего на 5-10 сантиметров. Но при этом поднимают до 500-700 килограмм и не тратят на это много энергии.

Зачем этим винтикам поднимать настолько большой вес? Дело в том, что робот пока что всё-таки композитно-металлический. Актуатор должен двигать не только его, но и всё то, что этот робот (потенциально) несёт. А главное — сила, передаваемая механизмом, уменьшается при передаче через сустав из-за действия рычажного плеча. 500 кг на выходе из актуатора превращаются в 250 кг отталкивания стопы.

Наше тело, развивавшиеся миллионы лет, научилось эффективно передавать энергию с мышцами ног, но заставить линейный актуатор делать то же самое — непростая задача. Поэтому тот, кто сможет сделать по-настоящему выгодный планетарный винт — должен озолотиться.

Видео от Tesla: команда разработки линейных актуаторов для ботов Optimus

Tesla говорит, что хочет выпустить своего бота в розницу по $20 000 за штуку. Это очень сложная задача для устройства, которому нужно минимум 28 приводов, мощный ПК, множество датчиков и аккумуляторная батарея, чтобы продержаться больше пары часов. Плюс ещё крепкий скелет, способный удерживать всё это вместе. Но если планетарными винтами займутся так же, как в своё время занялись чипами для ПК, на самом деле цена может стать вполне реальной.

Проблема Boston Dynamics

Когда на сцену в 2022-м кое-как, косо-криво, выбрался первый Tesla Optimus, многие тут же сравнили его походку с плавными и даже грациозными движениями роботов Boston Dynamics. Они уже умеют танцевать, делать паркур, бегать по ступеням и самостоятельно возвращать равновесие после толчков.

На первый взгляд было очевидно, что Boston Dynamics далеко впереди. Медленные движения Optimus высмеивали по всему интернету.

Но последнее слово тут было за Tesla. Потому что в нём стояли актуаторы, а не гидравлические системы. В итоге хотя Atlas был более грациозен и показывал большую мощность, он также был куда менее надежен, склонен к гидравлическим утечкам, имел меньший КПД, а главное — стоил в десятки раз дороже. Сервоклапаны в его гидравлических системах были чересчур дорогими и не подходили для массового производства.

Собственно, лучше всех об этом тогда написал юзер /u/Roman328, просто приведу тут его комментарий:

«В Атласе гидравлика и очень низкий КПД приводов. Для стабильности робота необходимо быстродействие, чего сложно достичь с гидравликой без ухудшения других параметров. Оптимус же — электромеханический. Такие приводы легче и эффективнее. Но тут свои минусы — вместо одного компрессора много двигателей в каждом суставе, сложность управления».

На самом деле преимуществ у планетарных роликовых винтов перед гидравликой даже больше. В том числе:

• Компактность и сравнительная простота. Не нужны насосы, шланги и резервуары.

• Энергоэффективность: энергия расходуется только при движении, а гидравлика требует ПОСТОЯННОЙ работы насосов, даже чтобы просто стоять.

• Точность (не зря до роботов и электромашин эти актуаторы применялись в хирургических операциях).

• Меньше техобслуживания — не нужно менять масло, устранять утечки и так далее. Таких роботов можно поставить на фабрику или в виде услуги в доме престарелых и забыть о них.

• Безопасность: гидросистема под высоким давлением — неприятная штука. Электропривод безопаснее и чище.

Меньшая сила, скорость и прочность не слишком важны в антропоморфных роботах, которые всё равно будут прочнее человеческого тела. Единственный значимый минус по сравнению с гидравликой — выделение тепла. При высоких нагрузках система может перегреваться и навредить человеку, который её коснется. Но в целом механизм всё равно получается безопаснее, энергоэффективнее, а главное — дешевле. Если Optimus хотели продавать за $20 000, то стоимость Atlas оценивали в $500 тысяч — $1 миллион.

Поэтому в прошлом году сама Boston Dynamics завершила свой проект с гидравликой. И выкатила новую версию Atlas — куда более простую и не такую элегантную в движениях (ха-ха!), зато с электроприводами. Старый Atlas, выполнявший акробатические трюки и прыгавший выше своей головы, незаметно ушел в прошлое. На том же ютуб-канале компании теперь только новый, медленный и аккуратный робот полностью на планетарных винтах:

Ни один из современных роботов Boston Dynamics больше не использует гидравлику — ни Spot, ни Stretch, ни Handle. Компания работала над этой технологией с 2005 года, почти 20 лет, но в прошлом году полностью (и без заметных фанфар) перешла на актуаторы.

Сейчас снижение цены этих мелких деталей — единственное, что стоит между текущей ситуацией и гуманоидным роботом в каждом доме (который того захочет, по цене автомобиля).

Гонка века

Аналитики J.P. Morgan подсчитали: поворотные и линейные актуаторы составляют примерно треть всей себестоимости гуманоидного робота. Один планетарный роликовый винт сейчас стоит от 1350 до 2700 долларов. Как говорит тот же Скотт Уолтер, было бы логично использовать такие механизмы почти во всех соединениях робота, сейчас это попросту слишком дорого. Из-за этого боты и кажутся какими-то «недоделанными»: подвижных механизмов в них сейчас в разы меньше от необходимого.

Чем более мелкую и кропотливую работу должен будет делать гуманоид — тем больше подобных суставов ему, конечно, потребуется. Optimus сейчас кое-как справляется с 8 актуаторами в ноге, пусть и двигается косо и криво. Но человеческая рука с её пальцами содержит в общей сложности 21 (!) активную степень свободы (это не считая ещё 2 активных и 4 пассивных степеней свободы в запястье). При современных технологиях невозможно разместить 21 привод в роботизированной ладони, да ещё и в прямом контакте друг с другом.

Существует два технических подхода к решению задачи создания ловкой роботизированной руки.

Первый — использовать меньшее число приводов, но сделать каждый из них намного более гибким и универсальным.

Второй — переместить сервоприводы из кисти в предплечье и управлять движением пальцев с помощью кабелей. Этот метод используется, например, в руке Gaitech Shadow. Правда, в ней всего три пальца, и она намного больше обычной человеческой руки. Из других недостатков — со временем сильно снижается точность из-за износа кабелей, а сами приводы получаются слишком сложными и хрупкими, что ограничивает практическое применение таких систем. В лаборатории и стерильных условиях они смотрятся красиво, в реальной жизни — быстро выходят из строя.

Рука Tesla реализует компромисс между этими двумя подходами. В ней установлено 6 приводов:

– Большой палец управляется двумя актуаторами — один отвечает за сгибание, другой за боковое движение.

– Остальные пальцы контролируются каждым своим простым сервоприводом. Все эти приводы работают через обычные зубчато-винтовые механизмы, как и линейные актуаторы в ногах робота, что позволяет фиксировать положение без подачи энергии и экономить заряд батареи.

Для гибкости и внешней эстетики Тесла пока использует механическую кабельную передачу в пальцах. Но это — временный компромисс, обусловленный быстрыми сроками разработки. В будущем ожидается её доработка, в идеале — переход всех пальцев на планетарные винты, если они станут дешевле и мельче.

Для ног даже текущие модели подходят хорошо. Но дальше нужны руки, фаланги пальцев, в идеале — даже губы, глаза, мышцы лица.

Возможно, именно в создании меньших по размеру и более энергоэффективных актуаторов и будет заключаться следующая гонка технологий. Мы почти достигли физического предела в производстве микрочипов: транзисторы размером 2 нанометра уже, по сути, реальность, над ними активно работают TSMC и Samsung, а создание чипов размером меньше 1 нм находится близко к пределам теоретической физики. Но где находится предел размеров (и мощности) PRV — пока не знает никто.

В отличие от компьютерных чипов, сейчас в этой гонке технологий уверенно лидирует Поднебесная. «Благодаря дроновой индустрии в Китае уже есть развитая база производителей миниатюрных актуаторов, — говорит Скотт Уолтер. — Их технологии были достаточно близки, чтобы адаптироваться под роботов».

Китайские компании сейчас активно в это инвестируют. Например, в октябре 2024 года Shanghai Beite Technology, ранее производившая автозапчасти, вложила $260 миллионов в строительство завода по производству планетарных винтов.

Для Запада это тревожный сигнал: если не создать собственную цепочку поставок, зависимость от Китая может серьёзно замедлить развитие индустрии. Особенно с учётом новых американских тарифов и торговой войны. Сейчас даже винты для Tesla делаются в Китае, чтобы потом их поставили в робота в США. Выпуск точных PRV за пределами Китая практически отсутствует.

Есть и другая проблема: цепочка поставок пока не сформирована, потому что индустрия фактически только рождается. И нет понимания, насколько масштабной она в итоге может стать. Если антропоморфные роботы будут прибыльны и актуальны, хорошо бы закладывать под актуаторы уже с десяток супер-прогрессивных заводов. А если нет — то это будет пустая трата денег. И как именно лучше производить винты, какие именно версии из десятков, существующих сейчас в разных прототипах?

Пока не найдутся ответы на эти вопросы, а стоимость планетарных винтов не упадет кратно, — глобальную революцию роботов, видимо, придется отложить.

Эх, а ведь в «Терминаторе 1» и «Терминаторе 2» роботы телепортировались назад во времени как раз из 2029 года...

Тем, кто ждёт прихода наших механических оверлордов, остается надеяться на одно. Всё может измениться, если тут произойдет та же история, что и с чипами. И стоимость актуаторов за пару лет снизится в разы. Это сделает массовый выпуск роботов-гуманоидов довольно простым и экономически выгодным делом, вопросом всего лишь мощного компьютера, датчиков и прошивки. Это позволит поставить их почти в каждый дом — как это раньше уже произошло с телевизорами, смартфонами и авто.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.