金属玻璃齿轮集成关节中3D打印成就更好的NASA月球任务机器人
经过深入研究与探索，由美国宇航局NASA的喷气推进实验室领导的冷可操作月球可展开臂（COLDArm）项目取得了重大进展。在2022年初，该技术团队成功地将特殊的非晶态金属（金属玻璃）齿轮集成到了机械臂的关键部件中。这一成就标志着我们在推动人类探索宇宙的能力上迈出了重要的一步。
这些具有创新性的金属玻璃齿轮被巧妙地融入了COLDArm的机械设计中，特别是在关节和执行器中。这些齿轮能够在极端低温下运行，其性能超越了传统材料。这一突破性的技术进展是由开发大块金属玻璃（非晶态合金）齿轮的项目推动的，该项目的目标是改变游戏规则。
金属玻璃，被誉为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。这种材料集合了金属和玻璃的优点，同时克服了它们的缺点。其强度高于钢，硬度甚至超过高硬工具钢，同时具备韧性和刚性。这一独特的性质组合使得金属玻璃在多个领域都具有广泛的应用潜力。
在3D科学谷的引领下，非晶态金属的商业应用前景日益明朗。特别是在3D打印领域，金属玻璃的商业化进程正在加速。这种材料的优异性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、能源、电子、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
此次COLDArm项目的成功，不仅展示了非晶态金属在极端环境下的出色表现，也为我们未来在月球探索任务中的应用打下了坚实的基础。随着技术的不断进步，我们期待着非晶态金属在更多领域中的出色表现，推动人类探索宇宙的边界不断向外延伸。根据ACAM亚琛增材制造中心的观察，3D打印技术正在推动增材制造向更深层次的多维度发展趋势发展。面向量产应用，它已突破经济性的限制，逐步走向产业化。尤其是对于那些结构复杂的产品，3D打印技术正成为一条重要的发展路径。
在低温环境下运行的自润滑齿轮技术同样引人注目。NASA的COLDArm项目中的机器人关节和执行器所使用的金属玻璃齿轮合金展现了其在极端环境下的卓越性能。这种合金拥有无序的原子级结构，使其既坚固又富有弹性，足以应对超低温度的挑战。典型的齿轮箱在这种环境下需要加热才能运行，而BMG齿轮电机则无需任何加热辅助，已在-279华氏度（-173摄氏度）的极端温度下成功测试运行。这一技术使得机械臂能够在如月球夜晚等极冷环境中自如运作。
作为COLDArm机器人手臂每个关节的核心部件，金属玻璃齿轮电机是使机器人能够在低温环境中行动自如的关键技术之一。四个组装的机器人关节之一，每一个都配备了这种先进的BMG齿轮。
Motiv Space Systems, Inc.正在进行一系列测试，以确保这些关节的性能达到要求。这些测试包括测功机测试，以测量扭矩和转速，以及低温热真空测试，以验证设备在类似太空的环境中的表现。一旦通过所有测试，配备BMG齿轮的COLDArm冷可操作月球可展开臂将在月球、火星等极端环境中承担未来的探索任务，展现出科技在极端环境下的无限可能。在月球表面创新计划的资助下，美国宇航局NASA空间技术任务理事会的改变游戏规则发展计划管理下的COLDArm项目正迈出坚实的一步。在NASA小型企业创新研究计划的推动下，Motiv Space Systems公司正引领COLDArm手臂和电机控制器的设计与制造，这极有可能开启协作机器人应用的新纪元。这一切的背后，展现了高精度齿轮在协作机器人领域的重要性。
回溯到1990年代中期，两位西北大学的教授以协作机器人为概念申请了专利。他们设想的是一种能与人类和谐共事的机器人，更小、更智能、反应灵敏且具备强烈的协同意识。人工智能和传感器的飞速发展使得这些“更友好”的机器人成为现实，但成本一直是广泛采纳的阻碍。令人惊讶的是，最大的成本并不总是出在先进的软件和传感器上，而是归结于一些基础的机械部件，例如齿轮。据知情人士透露，在某些协作机器人的制造过程中，高精度齿轮的成本甚至占据机械臂成本的一半。
金属玻璃，一种非晶态合金，以其独特的性质引领着材料科学的进步。在液态状态下，它能在晶格结构形成之前迅速冷却至固态，其原子排列如同玻璃般随机，这使得它兼具玻璃和金属的特性。锆、钛和铜等元素的组合，让金属玻璃既坚固又富有弹性。想象一下这样的材料：既有金属的强度，又有玻璃的韧性，真是让人叹为观止！
更让人惊叹的是，这种材料形成的齿轮，拥有长寿命且无需润滑的特点。它们表面的陶瓷氧化物构成了一层坚硬而光滑的保护层，大大延长了使用寿命。对于NASA来说，这无疑是个巨大的福音，因为它意味着齿轮箱可以在无需润滑油的情况下顺畅运行。想想看，美国宇航局的好奇号火星车，再也不需要花费三个小时去加热润滑油了，这将为火星探索节省多少宝贵的能量啊！
Motiv Space Systems公司正在为月球任务研发一种名为COLDArm的月球部署臂。它将使用大块金属玻璃齿轮在极寒的环境中工作，即使温度低至-290华氏度，也无需额外的热源。这是多么令人振奋的进展啊！
金属玻璃还有一个令人着迷的特性——低熔点。制造这种合金需要迅速冷却，以避免结晶，而其低熔点则大大降低了制造齿轮等零件的成本。这不仅提高了生产效率，还降低了成本，为更广泛的应用铺平了道路。
制造金属玻璃是一个充满挑战的过程。需要高于其熔化温度进行加工，然后迅速冷却以避免结晶。这也限制了它们的厚度，较厚的部分难以迅速冷却。尽管如此，科学家们仍在不断努力，探索更高效的制造方法，以充分发挥这种神奇材料的潜力。
机械臂中最常见的部件之一——柔性花键，是金属玻璃应用的一个亮点。这是一种带有齿形边缘的极薄壁柔性杯，作为波动齿轮组件的核心部件，与其他齿轮组相比，它提供了更高的精度、更大的扭矩和更低的齿隙。随着科技的进步，我们有理由相信，金属玻璃将在未来发挥更大的作用，为我们的生活带来更多惊喜！柔性花键，一种看似奇特的齿轮装置，实际上是精密机器人的核心组成部分。在3D科学谷的深入研究中发现，采用非晶态金属制造这一部件能大幅度降低成本。这其中的关键在于使用金属玻璃材料替代传统应变波齿轮的制造方法，成本可降低一半左右。
自润滑齿轮与金属玻璃的结合，构成了Amorphology公司的核心业务。这家公司自2014年创立以来，一直专注于小型高性能行星齿轮和应变波齿轮的研发。借助加州理工学院为NASA开发的技术，Amorphology已成功获得多项专利。
根据市场研究数据显示，虽然Amorphology并非第一家将金属玻璃创新商业化的加州理工大学的公司，但其面临的挑战依然艰巨。其中最大的挑战之一便是为这种新材料找到一个长期的市场定位。令人欣慰的是，大块金属玻璃（BMG）齿轮的出现标志着这一材料在持续商业成功道路上迈出了重要的一步。
值得一提的是，在3D科学谷的市场研究中发现，美国加州理工大学通过增材制造技术获得非晶态金属的专利已在2017年获得批准。与此这一技术已引发国际大型企业的关注，并展开了商业合作对话。这一切的背后，离不开专利发明人Douglas Hofmann的卓越贡献，正是他创立了Amorphology公司。
那么，加州理工大学是如何制造非晶态金属的呢.他们采用了一种独特的方法：将第一层金属合金表面高温熔融；接着迅速冷却这层熔融金属合金，使其凝固形成非晶态金属的第一层；然后在此基础上进行下一层的加工。在这个过程中，“喷涂技术”被广泛应用在每一层制造中，包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。所使用的原材料包括金属丝和金属粉末。据市场研究指出，这种“喷涂技术”实际上就是DED直接能量沉积3D打印技术。这项技术的诞生为金属玻璃的应用开拓了广阔的前景。在金属增材制造领域，非晶态金属的商业化进程正在引发业界热议。据3D科学谷的市场研究指出，这一现象自2017年以来已逐渐显现。随着EOS投资非晶态金属3D打印初创企业Exmet，非晶态金属的应用正逐渐普及。Exmet与德国材料巨头Heraeus集团合作研发的非晶态金属3D打印技术，已经在工厂中配备了EOS M 290 金属3D打印机，用于生产高性能的非晶态金属零部件。
随着贺利氏（Heraeus）发布的通过SLM（选区激光熔化）3D打印技术制造的非晶态金属齿轮的出现，非晶态金属的应用进一步拓展。贺利氏的技术不仅在重量上实现了大幅度减轻，达到了传统制造工艺的50%，还在齿轮尺寸和设计复杂性方面开创了全新的设计可能性。这一切的突破都得益于非晶态金属的特性，这种金属材料兼具玻璃、金属、固体和液体的特性，使得其在航天航空等高技术和手机、手提电脑等时尚品领域得到广泛应用。
中国科学院物理研究所近十年来在非晶态金属领域的研究也取得了令国际瞩目的成果。例如对金属玻璃中Beta弛豫的发现和表征、流变机制、相变等问题的研究均达到了世界领先水平。这种新型金属材料保持了金属材料的多个最高纪录，例如强度、加工成型性、耐腐蚀性等方面均表现出优异的性能。金属玻璃还具有遗传、记忆、软磁等独特性质，是研究材料科学和凝聚态物理中一些重要问题的理想模型体系。随着非晶态金属研究的深入和技术的不断进步，其在各领域的应用前景将更加广阔。