來源：Applied Thermal Engineering

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.132

引言

2025年，仿佛進入了“人形機器人元年”。從特斯拉的Optimus、Figure 01，到小米、優必選等中國廠商的高調入場，人形機器人正以前所未有的速度走出實驗室、步入工廠，甚至“走向家庭”。它們不僅被寄予解放勞動力的厚望，更成為AI大模型落地“物理世界”的關鍵載體。但在令人驚艷的外表與靈活動作背后，隱藏著一個越來越無法忽視的問題——熱管理。

驅動關節的高功率電機、高速運行的邊緣計算芯片、密集封裝的電源系統，這些核心部件在狹小空間中持續發熱，正在挑戰散熱設計的極限。如果不能妥善處理熱問題，再智能的機器人也難以穩定工作，甚至會面臨性能退化、壽命縮短甚至安全風險。

在人形機器人“智能化+工程化”快速推進的今天，熱管理系統的選擇不再是簡單的技術選型問題，而是關乎機器人安全性、可持續運行與用戶體驗的關鍵。未來的“冷靜大腦”與“靈活身體”，離不開背后那套穩定可靠的熱管理系統支持。

背景介紹

隨著機器人技術在醫療、軍用、救援、空間探索等高復雜度應用場景中的持續拓展，機器人系統的結構和功能正在日趨復雜化與高集成化。典型的機器人系統通常由機械結構、感知系統、控制單元、通信模塊和能源供給系統等多個子系統組成，其中大量的電子與電氣部件對運行溫度具有較高敏感性。一旦溫度控制不當，便可能引發性能下降、功能失效甚至整機損壞等一系列問題。

在實際應用中，機器人往往需要在惡劣或動態變化的環境下運行，如高低溫交替、高濕度、粉塵、水汽、強輻射甚至核污染環境，這對內部電子系統的溫控適應性提出了嚴峻挑戰。以戶外移動機器人為例，其冬季運行環境可能低至?30?°C，夏季腔體內溫度則可能超過50?°C，此外，濕度變化還會誘發電子元件的氧化和電池性能的波動，進一步增加系統的不確定性與故障風險。

在此背景下，如何通過合理設計熱管理系統以保障機器人各電子子系統的熱安全與運行可靠性，成為研究與工程實踐的關鍵課題之一。熱管理不僅涉及散熱效率的提升，更關系到系統功耗控制、結構設計約束、重量體積限制和整體可靠性等多維性能之間的權衡。目前已有多種熱管理技術在其他電子設備中得到廣泛應用，但其在機器人系統中的系統性研究與適配性優化仍顯不足。

成果掠影

此前，加拿大安大略理工大學Eren Sevinchan團隊統梳理了目前應用于機器人系統的各類主動與被動熱管理策略，包括：熱擴散片、熱管、相變材料（PCMs）、熱界面材料（TIMs）、隔熱材料、加熱單元、強制風冷/液冷系統以及熱電模塊等，并從熱阻性能、系統效率、COP（性能系數）等維度進行了對比分析。

在被動熱管理領域，相變材料（PCMs）和熱界面材料（TIMs）表現出最優性能效能，范圍分別為 0.64–0.98 和 0.12–0.75，其中 PCMs 憑借高潛熱特性，在核救援機器人等極端環境中可將電子元件溫度控制在 60°C 以下（遠低于 86–88°C 的關機閾值），且無需依賴易損的風扇或泵；熱管則以 - 268°C 至 3229.9°C 的超寬工作溫度范圍脫穎而出，其熱導率和傳熱效率使其成為多場景下的優選方案，實驗中搭載水基工質的熱管可將鋰電池溫度穩定在 24–44°C 的理想區間。

主動熱管理方面，強制液體冷卻系統展現出高效性與廣泛適用性，其總傳熱系數可達 1300–2200 W/(m2K)，尤其在人形機器人電機冷卻中，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），更適合中小功率場景。

研究證實混合熱管理系統（如 PCMs 與散熱片結合）在惡劣環境中表現更可靠，其綜合性能優于單一方法。未來，通過材料革新（如石墨烯復合 TIMs、高導熱 SiC 顆粒）和結構優化，機器人熱管理系統將向低成本、輕量化、寬溫域方向突破，為醫療、軍事、太空探索等領域的機器人穩定運行提供關鍵支撐。研究成果以“A review on thermal management methods for robots”為題發表《Applied Thermal Engineering》上。

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