來(lái)源：Applied Thermal Engineering
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.132
引言
2025年，仿佛進(jìn)入了“人形機(jī)器人元年”。從特斯拉的Optimus、Figure 01，到小米、優(yōu)必選等中國(guó)廠商的高調(diào)入場(chǎng)，人形機(jī)器人正以前所未有的速度走出實(shí)驗(yàn)室、步入工廠，甚至“走向家庭”。它們不僅被寄予解放勞動(dòng)力的厚望，更成為AI大模型落地“物理世界”的關(guān)鍵載體。但在令人驚艷的外表與靈活動(dòng)作背后，隱藏著一個(gè)越來(lái)越無(wú)法忽視的問(wèn)題——熱管理。
驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的高功率電機(jī)、高速運(yùn)行的邊緣計(jì)算芯片、密集封裝的電源系統(tǒng)，這些核心部件在狹小空間中持續(xù)發(fā)熱，正在挑戰(zhàn)散熱設(shè)計(jì)的極限。如果不能妥善處理熱問(wèn)題，再智能的機(jī)器人也難以穩(wěn)定工作，甚至?xí)媾R性能退化、壽命縮短甚至安全風(fēng)險(xiǎn)。
在人形機(jī)器人“智能化+工程化”快速推進(jìn)的今天，熱管理系統(tǒng)的選擇不再是簡(jiǎn)單的技術(shù)選型問(wèn)題，而是關(guān)乎機(jī)器人安全性、可持續(xù)運(yùn)行與用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵。未來(lái)的“冷靜大腦”與“靈活身體”，離不開(kāi)背后那套穩(wěn)定可靠的熱管理系統(tǒng)支持。
背景介紹
隨著機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療、軍用、救援、空間探索等高復(fù)雜度應(yīng)用場(chǎng)景中的持續(xù)拓展，機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正在日趨復(fù)雜化與高集成化。典型的機(jī)器人系統(tǒng)通常由機(jī)械結(jié)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制單元、通信模塊和能源供給系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，其中大量的電子與電氣部件對(duì)運(yùn)行溫度具有較高敏感性。一旦溫度控制不當(dāng)，便可能引發(fā)性能下降、功能失效甚至整機(jī)損壞等一系列問(wèn)題。
在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人往往需要在惡劣或動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境下運(yùn)行，如高低溫交替、高濕度、粉塵、水汽、強(qiáng)輻射甚至核污染環(huán)境，這對(duì)內(nèi)部電子系統(tǒng)的溫控適應(yīng)性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以戶外移動(dòng)機(jī)器人為例，其冬季運(yùn)行環(huán)境可能低至?30?°C，夏季腔體內(nèi)溫度則可能超過(guò)50?°C，此外，濕度變化還會(huì)誘發(fā)電子元件的氧化和電池性能的波動(dòng)，進(jìn)一步增加系統(tǒng)的不確定性與故障風(fēng)險(xiǎn)。
在此背景下，如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)以保障機(jī)器人各電子子系統(tǒng)的熱安全與運(yùn)行可靠性，成為研究與工程實(shí)踐的關(guān)鍵課題之一。熱管理不僅涉及散熱效率的提升，更關(guān)系到系統(tǒng)功耗控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)約束、重量體積限制和整體可靠性等多維性能之間的權(quán)衡。目前已有多種熱管理技術(shù)在其他電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，但其在機(jī)器人系統(tǒng)中的系統(tǒng)性研究與適配性優(yōu)化仍顯不足。
成果掠影
此前，加拿大安大略理工大學(xué)Eren Sevinchan團(tuán)隊(duì)統(tǒng)梳理了目前應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)的各類主動(dòng)與被動(dòng)熱管理策略，包括：熱擴(kuò)散片、熱管、相變材料（PCMs）、熱界面材料（TIMs）、隔熱材料、加熱單元、強(qiáng)制風(fēng)冷/液冷系統(tǒng)以及熱電模塊等，并從熱阻性能、系統(tǒng)效率、COP（性能系數(shù)）等維度進(jìn)行了對(duì)比分析。
在被動(dòng)熱管理領(lǐng)域，相變材料（PCMs）和熱界面材料（TIMs）表現(xiàn)出最優(yōu)性能效能，范圍分別為 0.64–0.98 和 0.12–0.75，其中 PCMs 憑借高潛熱特性，在核救援機(jī)器人等極端環(huán)境中可將電子元件溫度控制在 60°C 以下（遠(yuǎn)低于 86–88°C 的關(guān)機(jī)閾值），且無(wú)需依賴易損的風(fēng)扇或泵；熱管則以 - 268°C 至 3229.9°C 的超寬工作溫度范圍脫穎而出，其熱導(dǎo)率和傳熱效率使其成為多場(chǎng)景下的優(yōu)選方案，實(shí)驗(yàn)中搭載水基工質(zhì)的熱管可將鋰電池溫度穩(wěn)定在 24–44°C 的理想?yún)^(qū)間。
主動(dòng)熱管理方面，強(qiáng)制液體冷卻系統(tǒng)展現(xiàn)出高效性與廣泛適用性，其總傳熱系數(shù)可達(dá) 1300–2200 W/(m2K)，尤其在人形機(jī)器人電機(jī)冷卻中，能將核心溫度從 80°C 快速降至 40°C；熱電模塊雖可雙向切換冷熱模式，但效率受限（COP 值 0.267–0.618），更適合中小功率場(chǎng)景。
研究證實(shí)混合熱管理系統(tǒng)（如 PCMs 與散熱片結(jié)合）在惡劣環(huán)境中表現(xiàn)更可靠，其綜合性能優(yōu)于單一方法。未來(lái)，通過(guò)材料革新（如石墨烯復(fù)合 TIMs、高導(dǎo)熱 SiC 顆粒）和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，機(jī)器人熱管理系統(tǒng)將向低成本、輕量化、寬溫域方向突破，為醫(yī)療、軍事、太空探索等領(lǐng)域的機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行提供關(guān)鍵支撐。研究成果以“A review on thermal management methods for robots”為題發(fā)表《Applied Thermal Engineering》上。
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