随着机器人应用场景的不断拓展，市场对于机器人运动性能、能耗效率、安装便捷性和应用适应性的要求日益严苛。轻量化技术不仅能够显著提升机器人的加减速能力、动态响应速度和灵活性，还能降低能耗，提升续航能力，减少对能源的依赖。同时，轻量化设计简化了机器人的安装与维护流程，降低了运输与维修成本，提高了生产效率。更为重要的是，轻量化机器人的出现极大地拓展了机器人的应用边界，使其能够更好地适应太空探索、深海探测、医疗手术等对重量敏感的特殊领域，满足各行业对于高效、灵活、节能机器人设备的迫切需求。
围绕机器人轻量化，下面我们从机器人轻量化趋势由来、优化路径、当前进展等方面展开讨论，进而从结构轻量化、材料轻量化、核心部件轻量化三方面进行深度梳理，希望帮助大家更多了解机器人轻量化发展情况。
01
机器人轻量化概述
1.机器人场景加速落地
随着人形机器人智能化水平提升，机器人逐步走出实验室，不断探索各种应用场景。机器人在现实生活中模仿人类活动，如马拉松、拳击赛、工厂实践等。4月19日2025北京亦庄半程马拉松暨人形机器人半程马拉松在北京亦庄鸣枪开跑，共吸引20支人形机器人参赛队，最终6支机器人队伍完赛，实现了30%完赛率。人形机器人在如马拉松这类真实环境中展示技能，也暴露了不少产品性能短板，为产业的未来发展指明方向：
（1）轻量化方向
人形机器人在应用场景的连续作业需要考虑机器人轻量化设计及电池能量密度。轻量化设计通过降低自重减少能耗，提升运动灵活性。上海半醒机器人队“精灵”机器人体重32kg，腿部采用低转动惯量设计，减少硬件负担。机器人马拉松大赛中“天工Ultra”通过拓扑优化结构，在维持强度前提下实现系统性减重。
（2）机器人运控能力
机器人从实验室进入真实应用场景，尤其是在运动中应对陡坡、石板路等复杂地形等突发状况能力需要进一步提升。“天工Ultra”搭载的“慧思开物”实时感知环境，实现了动态步态调整与关节力矩的精准控制。乐聚夸父机器人结合模型预测控制和模仿学习的算法，提升运动效率、稳定性与地形适应能力。
（3）零部件和整机的可靠性
人形机器人走向商业化落地，需要对核心零部件的高精度、高负载特性与整机系统的冗余设计能力进行系统性验证。
2.为何机器人要向轻量化发展
为什么机器人要向轻量化发展呢？这是因为轻量化可解决人形机器人“痛点”问题。
从新能源汽车角度出发，整车重量与续航呈负相关，此现象依然适用于机器人。与工业机器人不同，人形机器人体积更小，所搭载的电池包更小，而当前人形机器人的续航仅为2小时，无法适配大部分应用场景，因此对轻量化提出了更高的要求。卓益得人形机器人通过减重40%，将续航时间提高至6小时。
人形机器人自重与性能挂钩，轻量化势在必行：1）过高的自重会影响人形机器人的灵活度，使其无法满足精细化场景需求；2）过高的自重会导致人形机器人关节处的电机及其余零部件的负载压力过大，使得电机发热现象严重及零部件磨损加大，进一步影响人形机器人的使用寿命。
机器人轻量化大势所趋。整机的重量是制约人形机器人运动性能、续航、场景应用的关键因素。2023年12月，特斯拉发布OptimusGen2，相比前一代人形机器人，第二代机器人拥有AI大模型的加持，体重比一代减少10kg，步行速度加快30%，身体控制能力增强。
3.人形机器人轻量化优势
人形机器人轻量化能够提升续航、降低成本，同时增加场景的适用性。
（1）提升续航
机器人轻量化可以降低能耗，对电机功率需求可以相对降低，从而提升机器人整体续航，同时机器人重量降低也可以减弱对电池能量密度的需求。较轻的部件也意味着重力势能和转动惯性的减小，机器人在静态和动态运动的时候能耗也降低。
（2）提高机器人灵活性、降低机器人成本
机器人轻量化意味着模组重量的降低，因此机器人在执行任务时候，整体负载有望降低，使得机器人更加灵活，执行任务更加精确。此外，机器人模组重量下降，也可以减少关节磨损，提高机器人寿命。
（3）增加场景适用性
在日常生活等场景中，人形机器人若重量过重，会存在一定安全隐患，比如在家庭环境中，若机器人断电摔倒，可能会磕碰到地面、周边人员，因此机器人过重不利于其场景推广。
轻量化优势明显。机器人和新能源核心部件相似，参考星源卓镁招股说明书，奇瑞汽车实车测试数据显示，新能源汽车减重10%，平均续航能力增加5%-8%。在市区的运行工况下，平均车重1600千克的新能源汽车如果减重20%，能量消耗可以减少15%。
轻量化是人形机器人商业化前期的进修课。轻量化可以解决当前人形机器人行业的几大痛点：续航、散热、零部件性能不达标、灵活度不足等。
02
机器人轻量化路径及进展
1.人形机器人轻量化路径
人形机器人实现轻量化主要可通过结构优化、零部件替换、原材料替换三方面。
（1）结构优化
结构优化主要可通过集成化设计、仿生结构设计、去冗余设计来降低所需零部件数量。其中，主流的方案为拓扑优化，如天工Ultra在腿部连杆等多处承力结构进行材料分布优化，在不影响整机性能的情况下大幅降低自重。
（2）零部件替换
零部件替换主要通过采用更高性能的产品实现，如采用更高效率和功率密度的电机，使得其能够在较小的体积和重量下输出较大的功率，进而降低所需电机数量。
（3）原材料替换
原材料替换主要通过采用质量更轻的材料来打造人形机器人，如铝合金、镁合金、高性能工程塑料等，主要替换部位为机器人外壳、精密零部件等。其中，精密零部件的原材料更换应用较多，如科盟创新采用PEEK材料打造谐波减速器，减重61%。
2.机器人轻量化相关进展
2021年8月，在首届AIDay上，马斯克发布了特斯拉人形机器人计划，并提出人形机器人概念：TeslaBot。根据马斯克介绍，该机器人将设计成：身高5英尺8英寸，体重125英镑。全身采用轻量化材料，共有40个电动执行器——手臂12个 手部12个 腿部12个 颈部2个 躯干2个。此外，脚部安装有力反馈传感器，并采用2轴平衡设计。
2022年9月，在第二届AIDay上，特斯拉发布了Optimus原型机。ptimus的膝关节模仿人类膝盖骨结构，采用了类似于四连杆机构的设计；手部采用仿生的五指结构设计，通过金属腱绳传动实现自适应抓握功能；其手部共配备6个关节、11个自由度。
2023年12月13日，特斯拉CEO马斯克在社交平台X（原Twitter）上首次线上发布OptimusGen2。相比OptimusGen1机械结构轻量化：通过集成执行器的电子与线束系统，整机重量从73kg降至63kg，同时步行速度提升30%，运动效率显著优化。
2024年10月，特斯拉举办“WeRobot”活动展示的新一代22自由度灵巧手是该活动为数不多的亮点之一。灵巧手拟采用空心杯电机 丝杠 绳驱方案，最大程度模拟人类手部解剖结构。其驱动装置从手部移至前臂，通过远程驱动手指，这种仿生设计使手部重量减轻30%。
03
机器人结构轻量化
1.参数优化：最简单、直接的轻量化方式
参数优化是最简单和直接的轻量化方式。参数优化是通过改变人形机器人的尺寸、零部件的布局、零部件及材料的厚度等方式对结构的直接优化。例如通过加强某些连接件的刚性实现对“冗余”零部件的减少。同时，类似人的不同关节，针对所有关节，根据承力与运动性能的需求进行定制化选型，达到“最适配”状态。
2.拓扑优化：材料删减的进一步细化
拓扑优化是对材料删减的进一步细化的举措。拓扑优化是用于在给定的设计空间内，通过优化材料分布，以达到在满足特定性能要求的同时，最大化结构性能或最小化材料用量的目标，目前已广泛应用于工程机械、航空航天、汽车制造、建筑等领域。根据《短时高承载反向式行星滚柱丝杠副关键技术研究》，通过拓扑优化，航天伺服反向式行星滚柱丝杠副IPRSM中径减少25%，体积减小约44%，同时具有更高的传动效率和传动精度。
当前人形机器人轻量化仍处于早期阶段，同时大部分本体厂商均为初创公司，相关人才配置紧缺，预计随产业进步加速，更多拓扑优化后的人形机器人零部件将逐步涌现。
3.集成化：他山之石，化繁为简
参考新能源车，集成化趋势确定。与新能源车类似，人形机器人可在关节模组、结构件等领域进行集成化设计，实现结构复用降本、小型化、轻量化。
关节模组集成化：将伺服驱动器、电机、减速器、编码器等关键核心零部件集成为一体化关节模组，能够减少连接件的使用同时节省空间，并且在大规模应用下易于更换，但需要关节厂商具备整体研发能力，研发难度较大、周期较长。
结构件集成化&一体化：主要涉及一体化压铸技术，在汽车领域已颇为成熟，通过减少零件数量、简化生产工序，实现车身减重与成本降低。人形机器人中结构件虽不及汽车复杂，但一体化压铸将部分零部件集成化&一体化可一定程度减重并提升结构强度。
4.当前技术路径仍在迭代，企业跨界能力有限
结构轻量化空间广阔，当前受制于技术路径未收敛及企业跨界能力有待提升。
技术路径尚未收敛：当前人形机器人整机及零部件方案百花齐放，且核心性能及功能实现尚未达到理想状态，技术路径日新月异，因此厂商暂未投入足够精力发力结构轻量化。
当前零部件企业跨界设计&整合能力有限：人形机器人结构轻量化总体来说是“结构性工程”，需要从整机设计开始进行考虑，同时对于零部件性能、材料特性等具备深度了解，当前人形机器人本体厂商多为初创企业，相关人才、资源投入较少，而下游零部件厂商对整机设计涉足较少，跨界联合研发设计仍需加强。
04
机器人材料轻量化
原材料替换大有可为：从特斯拉角度看，轻量化主要从原材料角度出发。当前，人形机器人用量较多的轻量化材料为铝合金，但方案或将切换。OptimusGen2手臂部位采用连续碳纤维增强PEEK（CF/PEEK）复合材料，相比传统铝合金和不锈钢，重量减轻70%，整机重量降低10kg。
原材料替换主要逻辑为采用更低密度的金属材料。碳纤维、镁合金、高性能工程塑料的密度都显著低于不锈钢、高强度钢、铝合金等主流轻量化材料为基准。从性能角度看，高性能工程塑料、镁合金与铝合金的屈服强度和比强度相差无几，原材料替换时对结构强度的影响可以忽略不计；碳纤维材料的屈服强度和比强度远高于其他轻量化材料，但受限于成本无法大规模应用。因此，镁合金及高性能工程塑料或为主流替换方案。
1.镁合金
（1）低密度金属，已在汽车轻量化中成熟应用
镁合金是优质的轻质合金。镁金属具备：1）比铝高的比强度；2）良好的延展性；3）良好的热销散性、减震性及机械加工性；4）振动阻尼特性好；5）抗电磁干扰能力强；6）完全可回收和充足的可用性。
镁铝合金已在汽车轻量化中成熟应用。以奥迪A8为例，自1993年应用全铝车身框架结构（ASF）技术，将铝、钢、镁和碳纤维增强复合材料结合，显著减轻车身重量，同时其减振器支座横撑采用镁制材料，完善了轻量化结构设计。
（2）抗腐蚀性、易燃易爆需特殊处理
镁合金的主要缺点为抗腐蚀性低、易燃易爆，但当前已有成熟解决方案：针对抗腐蚀性，目前解决方案包括表面钝化、电镀、烤漆、阳极氧化等；针对易燃易爆，通过加入SF6保护气体形成致密保护膜，同时半固态技术能够有效增加镁合金的安全性和强度。半固态镁合金注射成型技术是压铸和注塑工艺的创新融合，能够有效减少表面缺陷明显提升产品质量。
（3）经济性凸显，渗透率有望提升
镁价处于低位，经济性凸显。根据星源卓镁招股说明书，当镁合金与铝合金价格比等于1.29时，生产相同产品所耗用的原材料及加工成本基本一致，镁铝价格比在1.2-1.3时镁具备更高性价比，足以取代铝合金并大规模应用于工业生产，截至5月镁铝价格比仅0.87，性价比显著，镁合金的使用不仅能够实现轻量化，还可以实现降本。
（4）在工业&人形机器人进行初步尝试
埃斯顿镁合金工业机器人亮相，人形机器人应用可期。宝武镁业和埃斯顿机器人联合推出镁合金工业机器人新品“ER4-550-MI”，其轻量化设计相较于铝合金版本减轻自重11%，因此该款机器人不仅提升了5%的节拍速度，还在减震、电磁屏蔽和散热方面有所提升，增强了机器人运行的稳定性。此外，在能耗方面，采用镁合金的机器人能耗降低了10%（仅通过盖板、底座、控制臂等壳体部件轻量化）。在人形机器人应用中，由于人形可移动性及结构部件数量较多，镁合金应用的能耗降幅有望更多，在骨骼、外壳等部件应用可期。
2.PEEK
（1）工程塑料金字塔的皇冠
PEEK材料位于工程塑料金字塔的顶端，性能优异。PEEK属于特种工程塑料的一种，最早由英国帝国化学公司于1978年开发，具有机械特性好、耐热等级高、耐腐蚀、同时具备注塑成型、挤出成型和切削加工等优异的加工特性等特点，在交通运输、航空航天、电子信息、能源及工业、医疗健康等多个领域得到广泛应用。
对比其他塑料材料，PEEK性能全面，刚性优于绝大多数特种工程塑料的同时兼具韧性，在耐热、耐腐蚀方面均表现优异，是全球性能最好的热塑性材料之一。
对比金属，PEEK性能全面占优，比强度大，绝缘能力强，耐化学性优异，是“以塑代钢”的优选材料。
（2）原材料是成本的核心来源，核心是氟酮
PEEK的核心原材料为DFBP。聚醚醚酮(PEEK)材料产业上游原材料主要为DFBP（二氟二苯甲酮，简称氟酮），DFBP作为聚醚醚酮(PEEK)材料的关键原材料，按照一般化学反应原理及行业生产经验计算，每生产1吨PEEK需要消耗0.8吨DFBP单体;中游包括PEEK颗粒、PEEK粉末、PEEK增强颗粒等PEEK材料制造。
当前PEEK生产中原材料占比高，其中氟酮为主要成本来源。根据中研股份招股书，直接材料成本占比约70%，而氟酮约占PEEK粗粉成本的50%。2024年PEEK纯树脂价格约在30万元/吨，氟酮价格约12万元/吨，价格水平较高。
氟酮的主要应用于生产PEEK，原料易得，但工艺&产能为铸就较高壁垒。氟酮最大的应用场景即生产PEEK，2024年占比超90%，上游产业链主要包括氟苯、对氟甲苯、苯胺、氢氟酸、氟化氢、四氯化碳、亚硝酸钠等化合物的原材料以及中间体，原材料易得性高且价格较低。而在合成氟酮的过程中，由于会产生大量中间产物且不稳定，对技术路线选择及工艺控制要求较高，同时关键步骤氟化反应需要在高温、高压或强酸性等苛刻的条件下进行，对生产设备要求较高且易燃易爆、产生大量废水废气，安全把控&准入条件苛刻。
（3）工艺&原料共同决定性能，多项指标需要平衡
PEEK的生产壁垒较高：1）生产设备及工艺控制：PEEK生产所需要的反应釜为一系列装置，同时整个生产过程时间长，温湿度的变化对最终产品性能指标影响较大；2）一致性：不同反应釜之间产品的一致性受众多因素影响，因此较大的反应釜能够有效提高产品总体一致性，目前具备超过5000L反应釜制造能力的企业仅英国威格斯及中研股份；3）熔指和黏度的平衡：两者成反向关系，但对材料性能及后续加工性能有较大影响；4）结晶性：结晶效果越好，材料的机械性能、耐磨性等特性更佳。
（4）聚合过程决定流动性，提纯过程决定热稳定性
PEEK的生产工艺流程中涉及聚合过程、提纯过程、干燥过程。PEEK树脂的生产属于复杂的化学合成过程，其合成反应是在一个带有搅拌器的反应釜内进行。常见的工艺路径为亲核取代，即氟酮和对苯二酚在碱金属盐催化下，以二苯砜为溶剂，在280℃~340℃条件下进行缩聚反应，然后通过丙酮和水去除残留的溶剂和盐，经过干燥工艺获得高分子量的PEEK树脂。而复合增强类树脂需要根据性能需要，将玻璃纤维、碳纤维、聚四氟乙烯、石墨等加入到挤出机中与粗粉共同进行挤出，得到改性产品。
（5）性能平衡及改性具备较强knowhow
PEEK的核心指标包括熔指、黏度、结晶性等，也可通过改性进一步优化性能。
熔指和黏度成反向关系，平衡两个指标是关键。PEEK作为一种线性高分子材料，其熔融态是一种非牛顿流体，具有剪切变稀的特点，在高剪切速率下黏度会变小，而黏度又与熔体强度关联，低黏度表现为产品强度的降低。
机械性能&耐磨性&耐腐蚀性等性能核心来源于结晶性。PEEK作为一种半结晶型聚合物，其优异性能源于其中的结晶部分。在其加工过程需要在十几秒内从熔融态迅速降到凝固态完成结晶，在相同时间内结晶速率快可以得到更高的结晶度。
改性是进一步加强PEEK性能的方法，常见的方案有聚合物共混、填充、表面处理改性，约占PEEK应用的30%。
（6）大容量反应釜有助于控制批次稳定性
批次稳定性的把控是PEEK厂商的核心能力之一，在聚合工艺中每一反应釜都是一个批次，每反应釜之间需要相同且精准的控制，才能保证材料的一致性。PEEK生产的反应釜是一系列设备，构成复杂，控制难度较高，且环境的微小变化（温度&湿度等）均会对产品性能造成影响，同时PEEK生产中仍有大量环节需要人工参与，因此较大的反应釜及更高的自动化水平可以最大限度的减少批次间的变化。当前，仅英国威格斯及中国中研股份具备5000L反应釜生产能力，随着行业需求发展及公司订单增加，其他企业也在逐步尝试更大容量反应釜进行生产。
（7）新应用验证周期长，联合研发加快应用拓展
PEEK材料多数应用于工作环节恶劣、性能要求苛刻的产品领域，验证周期较长，当前各厂商积极与下游联合研发，加快应用拓展。目前PEEK主要作为功能件、结构件应用于工作环境恶劣、性能要求苛刻的产品领域，相关领域对产品质量的可靠性、稳定性、耐用性要求较为苛刻，在应用开发过程中一般需要多个环节的测试，包括对PEEK材料测试、零部件产品以及终端产品的验证和测试，导致PEEK终端应用一般需要较长的验证周期。以800V高压电机漆包线为例，威格斯历史7年完成开发到推出产品，而国内企业因多为国产替代而非全新产品，验证周期较短，但仍需3-4年。未来，随着上下游企业联合研发深入，及机器人等新领域终端验证周期较短等因素，行业应用拓展有望加速。
3.尼龙
（1）柔韧性优异且兼具刚性的工程塑料
PA6（尼龙6）具有优异的抗冲击性和柔韧性，适用于需要一定弹性的部件。PA6表面质量良好，加工性能优越，且在特定条件下展现出更佳的尺寸稳定性。PA66具有更高的熔点，从而提供卓越的耐热性，这对于暴露在高温环境下的部件至关重要。其更高的刚性和强度使其更适用于对机械稳定性要求较高的结构性组件。
尼龙66作为性能更为优越的尼龙品种，虽然前期受制于己二腈的进口依赖，价格相对较高，但随着我国企业开始推进己二腈国产化，尼龙66的价格已经有所下行，下游应用也进一步扩展。
（2）行业需求成熟稳定，PA66终端主要应用于汽车&电子
我国已成为尼龙6主要消费国，行业需求整体成熟稳定。2019-2023年我国尼龙6表观消费量从317.66万吨增长至434.91万吨，CAGR达到8.17%。而2022年我国尼龙66表观消费量达到54.4万吨，2018-2022年CAGR为1.77%。
中国尼龙6主要应用于民用消费品领域，尼龙66主要应用于工业制造领域。2022年尼龙6下游主要有锦纶纤维、工程塑料、薄膜等领域，分别占比70%、17%、8%，其中主要用于地毯制造，以及与其他材料混纺用于袜子、伞布生产等。PA66主要下游为汽车制造（汽车发动机、电器、车体，高铁车体，大型船舶的涡轮、螺旋桨轴、螺旋推进器、滑动轴承等部件）、电子电器等。民用领域因PA66相较于PA6价格较高、国内尼龙66行业供给有限而发展缓慢，仅应用于高端瑜伽服、速干服、弹力锦纶外衣、冲锋衣等。
（3）新应用带动行业扩产，格局整体稳定
PA6供给稳定，PA66受益于降本&新应用，产能快速扩张。尼龙6扩产驱动力主要为下游纺织消费品需求增长，2019-2023年我国尼龙6总产能从527万吨扩张至642万吨，CAGR达7.29%；尼龙66产业过去较为成熟，2022年我国PA66产能为75.1万吨，行业开工率仅为65%，近年受益于原材料国产化降本及应用技术突破产能快速增长，2024年PA66产能达129万吨，同比 39%。
PA6格局分散，PA66格局集中，己二腈等关键原材料上的自给率不断提高。2022年我国PA6产能CR4不足25%，龙头企业市占率不足50%，格局分散。PA66全球生产集中于美国、意大利、德国、日本、中国等国家，主要生产商有英威达、杜邦、巴斯夫、神马股份、兰蒂奇、旭化成等，2022年我国PA66主要供应商为神马股份、英威达、华峰集团，CR3达75%。
（4）汽车成熟应用，机器人“以塑代钢”可期
尼龙已在汽车领域成熟应用。尼龙及其改性材料因其稳定性高、强度高、韧性好、耐压力等等特性，在汽车中的发动机、燃油供给系统、电气系统、底盘系统等已有大量成熟应用。同时，通过与玻璃纤维（GF）共混改性，大幅提升强度，应用于管件、壳体、齿轮等部件。
机器人领域“以塑代钢”优势显著，未来可期。在工业&协作机器人传动部件中，谐波减速器刚轮可用碳纤维增强尼龙（PA12-CF30），凭借摩擦系数低&轻量化应用于协作机器人关节模组，行星滚柱丝杠可用玻璃纤维增强尼龙（PA66-GF50），减重60%基础上保持0.5μm/300mm运动精度，应用于工业机器人第七轴驱动系统。
4.碳纤维
（1）碳纤维
碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维，具有高强度和高量的特性，一般是由聚丙烯腈或沥青等有机母体纤维在高温下裂解碳化形成。按照力学性能分类：碳纤维可分为通用型和高性能型。高性能型碳纤维又细分为高强度、高模量、超高强度、超高模量碳纤维，一般应用于航空航天等要求较高的领域；按照丝束规格分类，碳纤维分为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维，其中24K以下为宇航级小丝束碳纤维（1K为1000根单丝），48K以上为工业级大丝束碳纤维。小丝束碳纤维一般应用在航空航天领域及高端体育休闲用品，大丝束碳纤维应用于能源、建筑、交通、纺织等工业领域；根据原丝类型的不同分类：碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维和酚醛基碳纤维。目前PAN基碳纤维占碳纤维总量的90%以上。
（2）碳纤维特性
碳纤维具有以下性质：①强度高：其抗拉强度在3.5GPa以上。②模量高：其弹性模量在230Gpa以上。③密度小，比强度高：碳纤维的密度是钢的1/4，是铝合金的1/2，其比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。④能耐超高温：在非氧化气氛条件下，碳纤维可在2000℃时使用，在3000℃的高温下不融熔软化。⑤耐低温性能好：在-180℃低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧很柔软。⑥耐酸性能好：能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中，200d后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。此外，碳纤维的耐油、耐腐蚀性能也很好。⑦热膨胀系数小，导热系数大：可以耐急冷急热，即使从3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。⑧防原子辐射，能使中子减速。⑨导电性能好（5～17μΩm）。⑩轴向抗剪切模量较低，断裂延伸率小，耐冲击差，并且后加工较为困难。
（3）碳纤维在众多纤维材料中优势明显
与芳纶、E级玻璃纤维、连续玄武岩纤维几种纤维产品的性质相比，碳纤维的密度仅略高于芳纶；碳纤维的抗拉强度和弹性模量在几种纤维产品最高；碳纤维的平均断裂伸长率和单丝直径最低；碳纤维的使用温度较广，尤其是耐高温的特性值得关注，可在2000℃及以下温度正常使用。
全球碳纤维的主要生产企业主要集中在日本、美国和欧洲等国家和地区，包括东丽、帝人、赫氏等公司。2024年全球碳纤维市场规模估计为57.5亿美元，预计2025年至2030年复合年增长率为10.9%。这一增长可归因于全球向可再生能源转变所推动的风能应用中碳纤维的使用量上升。
近年来碳纤维产业的全球竞争格局正在发生剧变，中国已成全球最大碳纤维消费国与生产国。2023年中国碳纤维运行产能在全球排第一位，占比为为47.7%，据预测，到2030年中国将占全球产能65%以上。
2024年Q4美国每公斤碳纤维的价格为每千克33.06美元、中国碳纤维的价格为每千克27.56美元、德国碳纤维的价格为每千克37.66美元。美国的碳纤维价格较高，归因于航空航天和国防部门的需求的增加以及较高的生产成本；中国的碳纤维价格较低，一方面风电和汽车行业等行业的需求下降，另一方面碳纤维企业产能过剩，导致价格疲软；德国的碳纤维价格保持稳定。来自航空航天行业的强劲订单成功地抵消了能源成本上升和新环境规则带来的压力。
05
机器人核心部件轻量化
1.电机
无框电机是由一组转子和定子组成的部件，是构成电机的永磁体和电磁体。相对于传统的伺服电机，没有确定的固定单元，可以自由地适配不同客户的外壳、轴承以及反馈装置等部件的集成安装，具有整体质量更轻、体积更小、运动响应更快及能效高等特点，被广泛应用于汽车、航空航天、机器人、医疗器械、半导体等领域。
科尔摩根电机帮助Universal Robots实现轻量化。将科尔摩根无框电机直接集成到关节轴中，机器人本身就有外壳Universal Robots使用的部件经常具有多种功能。这大幅减少了球轴承、联轴器和轴等机械部件的数量，进而减轻了整个系统的重量和尺寸规格。此外，科尔摩根KBM电机的高功率密度还提高了UR5和UR10平台的承载能力。
TBM2G电机采用更为紧凑的电磁封装，提供更出色的转矩性能。这些48VDC电机经过专门设计，用于直接嵌入机器，让每根轴更小、更轻、更强韧、运行更快、更平稳。更强赋能更卓越的表现。TBM2G电机以更紧凑的外形提供更高的转矩密度。它们采用先进的材料和绕组，可在所有速度和转矩要求下实现更稳定的性能。提高电机负载容量和能效，降低升温幅度，使电机更轻、更紧凑，运动速度更快、更平稳。
2.减速器
谐波减速器主要由三大部件构成：波发生器、柔轮、刚轮。柔轮：①改变圆角尺寸。柔轮底部过渡圆角是柔轮的主要尺寸参数，圆角尺寸的大小不仅能减少柔轮的重量，而且对柔轮的加工工艺也有影响，因此分析柔轮的圆角的影响对于柔轮的设计是十分必要的。②选择合适的杯口前沿长度。在选取前沿长度时可根据柔轮的长度合理的选择前沿的长度，来降低柔轮的重量，降低应力集中现象，从而加长柔轮的疲劳寿命。柔性轴承与波发生器：波发生器是由椭圆盘和柔性轴承共同组成的。柔性轴承是指利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的轴承，它有着传动比大、体积小、重量轻、传动精度高和回差小等特点。HD公司申请的专利CN105308357B、CN105143716A中指出，可通过柔轮形状优化、采用特种材料等途径，在实现减小谐波减速器尺寸这一目标的同时，使谐波减速器的刚度、精度及寿命等重要指标得到提升。
材料：一种基于聚醚醚酮（PEEK）复合材料的谐波减速器技术突破，为机器人关节设计开辟了全新路径。该技术通过材料创新与结构优化，在重量、传动效率与耐久性三大维度实现跨越式提升，或将成为人形机器人、协作机器人及工业机械臂等领域的标准配置。
3.丝杠
行星滚柱丝杠副是一种将旋转运动转化为直线运动的机械传动装置，具有大承载、高精度和长寿命等优点，广泛应用于机床设备、汽车工业、半导体制造和航空航天等高端领域。其核心部件为滚柱、丝杠、螺母、内齿圈和保持架，滚柱在丝杠和螺母之间做行星运动，并通过螺纹牙与二者同时啮合，传递运动和力，保持架和内齿圈分别承担着定位支撑和动力传输的关键作用。
行星滚柱丝杠副按结构组成及运动方式，通常可分为标准式、循环式、轴承环式、反向式和差动式等结构形式，它们以各自独特的结构特点及其优势适用于不同的场合。
西北工业大学提出一种基于结构参数的二级行星滚柱丝杠优化设计方法。该发明确定了两个优化目标，第一优化目标为二级空心丝杠的径向尺寸最小；第二优化目标为二级行星滚柱丝杠质量最轻，实现了在满足二级行星滚柱丝杠导程、结构强度、工作效率和稳定性设计要求的前提下，其整体尺寸越小，使二级行星滚柱丝杠可以准确且广泛应用于大行程、高承载和传动速度快的场合成为可能。
亚超特新材料公开了一种轻量化多材料滚动体丝杠，其中螺杆和螺母至少之一由轻量化铝基复合料(AMC)制备，滚动体组由钢材或者陶瓷制备。此前滚动体丝杠通常是使用耐磨性好的钢材，如高碳钢和铬钢，而铝合金、钛合金和镁合金等轻金属的耐磨性，以及它们与钢材之间相互摩擦的耐磨性都差，不能满足滚动体丝杠的要求。但亚超特新材料研究发现，含有陶瓷颗粒、陶瓷晶须、陶瓷短纤维等耐磨材料强化相的铝基复合材料(简称AMC)，通常具有好的耐磨性能，在各种摩擦条件下，AMC材料与钢材或陶瓷材料之间表现出优异的耐磨性能，甚至优于钢材与钢材之间的耐磨性能，由此非常适合于制备多材料轻量化的滚动体丝杠。
4.关节模组
人形机器人的关节模组有多种分类方法，可以按驱动形式、传动部件类型或传动部件的组合架构分类。按驱动形式可以分为旋转驱动器和直线驱动器，旋转驱动器主要以“电机 减速器 传感器 编码器”方案为主。人形机器人实际工作场景中对输出扭矩密度要求较高，只靠电机难以满足，减速器成为必选项。直线驱动器主要以“电机 丝杠 传感器 编码器”方案为主。人形机器人直线驱动器需要具备良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连续的直线运动性能。
按传动部件类型分类可以分为柔性执行器、弹性执行器和准直执行器。柔性执行器(flexibleactuator，FA)，一般由“电机 高减速比减速器”构成，具有以下特点：①高转矩密度：高减速比减速器大大提高输出转矩；②具有机械谐振：谐波减速器的柔轮、齿隙、摩擦等弹性连接导致系统存在多阶振动频率；③低力透明度和弱反驱性能：高减速比减速器导致反射惯量、反射摩擦等机械阻抗增大。弹性执行器(elasticactuator，EA)在FA的基础上增加了弹性元件，可细分为串联弹性执行器、可变刚度执行器、可变阻抗执行器等。其具有以下特点：①强抗冲击性能：弹性元件作为中间隔离环节防止冲击载荷直接作用在齿轮上；②高效率、高峰值转矩：弹性元件实现被动机械储能；③低力控制带宽：弹性元件的刚度一般低于10000Nm/rad，使系统的输出阻抗较低。准直驱执行器(quasidirectdrive，QDD)又称为本体感觉驱动器，一般由“高转矩密度电机 低减速比减速器”构成，具有以下特点：①高力透明度和强反驱性能：低减速比减速器的非线性误差和静摩擦力都较小；②强抗冲击性能：低减速比减速器导致机械阻抗较低；③低转矩密度：低减速比减速器对转矩的提高相对有限。
按传动部件组合架构可以分为：①并轴级联式：电机输出轴与减速器沿径向排列，输出轴非同轴；②同轴串联式：电机与减速器沿同轴排列；③同轴内嵌式：电机与减速器同轴排列，减速器嵌入电机内。关节执行器的架构会约束关节电机的尺寸、影响整体输出特性，二者紧密相关。
天链机器人依托于核心的谐波减速机正向研发技术，在内嵌式伺服电机结构设计上进行了一系列优化，创新性的将伺服电机与特制谐波减速机高度集成。从磁场、定子绕组、转子惯量到结构拓扑，全方位着手，成功提高了电机扭矩密度，同时降低了转子惯量，在极小的体积与重量下集成了高精度输入输出编码器、输出扭力传感器(直接测力)、制动器、驱控、温度传感器等功能单元，具有极高的扭矩与体积重量比。同时巧妙地把电机与波发生器结合在一起，有效精简零件数量，最终推出了关节扭矩密度高达450Nm的超轻量体化关节，拥有多项专利技术，实现了产品体积和重量的大幅缩减。相较于市面上普通同型号关节产品，重量减轻50%，体积减小约50%，扭矩提升约50%，关节主体结构具备IP54防护等级(特殊定制机型可达到IP67)，可实现360度连续旋转。
宇树科技的微型伺服电机与碳纤维-铝合金复合关节。UnitreeG1机器人搭载了宇树自研的微型伺服电机与碳纤维-铝合金复合关节，单关节的扭矩高达120N，使G1在执行复杂动作时能够保持高效的精确度。G1的整机重量约35kg。
5.结构件
肢体骨骼是支撑人形机器人进行各种行动的基本框架，其应用场景包括外壳材料、脊椎、大臂、小臂、大腿、小腿等结构件。常用材料包括钢材、铝合金、镁合金、碳纤维、高分子材料等。机器人结构件轻量化的轻量化主要有两种途径，一是采用强度高的轻质材料，二是通过改变材料分布来优化结构。
波士顿动力Atlas机器人采用拓扑优化的CFRP关节支架，重量较铝合金减轻45%，弯曲模量达230GPa，支撑跳跃时10倍自重冲击载荷。
法国的Ensta Paris Tech公司和Flowers Lab公司开发设计的Poppy有25自由度，重量仅为3.5公斤，身体比例和人体非常类似，身高84厘米。除马达和电子电路以外，Poppy的所有零件都是3D打印的，采用的是选择性烧结（SLS）工艺，材料为聚酰胺（PA）。
软银集团推出的人形机器人NAO主要材料为聚碳酸酯-ABS塑料、聚酰胺和碳纤维增强热塑性塑料。
06
市场空间
1.PEEK材料市场空间较大：预计24年全球市场空间61亿元，中国市场空间19亿元
预计24年全球市场空间61亿元，中国市场空间19亿元。据测算，全球PEEK市场规模由2018年的36亿人民币到2022年增长至49亿人民币，18-22年CAGR达8.01%；中国市场PEEK市场规模由2018年的8亿人民币增至2022年的15亿人民币，18-22年CAGR达17.01%。基于其出色的性能、符合严格的安全和环境要求，以及随着技术进步和成本降低而增强的竞争力，聚醚醚酮（PEEK）将满足不断扩大的高性能应用场景需求。全球PEEK市场规模在2027年预计将增至85亿元，24-27年CAGR为11.38%，中国PEEK市场规模在2027年预计将增至28亿元，24-27年CAGR达13.30%。
2.尼龙市场规模庞大，且呈增长态势
2023年全球尼龙市场规模为310.9亿美元，2024年增长至326.4亿美元。预计到2032年，全球尼龙市场规模将达到488.6亿美元，年复合增长率约5.04%。亚太地区是尼龙市场的主要消费区域，约为190.2亿美元。其中，中国、印度和日本等国家是市场的主要贡献者。未来，随着下游行业如工程塑料、纺织、电气电子和汽车的快速发展，尼龙市场将继续扩大。
受益于聚合技术进步及己内酰胺供应瓶颈突破，叠加国内需求旺盛，尼龙6生产实现规模化、低耗高效化升级，行业产能产量快速增长，进口依赖度显著下降，国产替代进程加速。数据显示，截至2023年底，我国尼龙6的总产能已达到627万吨/年。2024年新增产能98万吨/年，主要集中在华东及华中地区，预计到2024年底总产能将达到725万吨/年，同比增长16%。从产量来看，2014-2023年，我国尼龙6产量从191.3万吨增长到了481.6万吨，年复合增长率10.80%。而在产量快速增长的推动下，我国尼龙6的对外依存度也在逐步下降。2014-2023年，我国尼龙6的进口依赖度自22.3%下降至4.88%。
目前我国尼龙6的生产企业较多，行业集中度总体较为分散。有数据显示，我国尼龙6的主要生产企业44家，主要集中于浙江、江苏和福建省等东部沿海省份，三省产能占全国总产能的66.5%。我国主要的尼龙6生产企业包括福建恒申、浙江聚合顺、浙江恒逸、鲁西化工、江苏海阳科技等，规模均在30万吨以上。
尼龙66行业集中度较高，CR5接近70%。截至2024年底，全球尼龙66总产能达到351万吨/年，同比增长16%。行业呈现高度集中化特征，前十大供应商产能占比约80%，其中前三强企业合计贡献47%的产能。全球尼龙66生产主要集中在东北亚、北美和西欧等地区。
07
相关公司
1.旭升集团
加快镁合金布局，驰骋轻量化新征途。公司在镁合金半固态注射技术领域。24年公司成功研发半固态注射成型的电机壳体，并已跟国外某客户就镁合金电驱壳体项目开展正式合作，实现了镁合金开拓的突破。此外，在研项目包括变速箱壳体、三电系统壳体等多个核心产品。目前公司与国内外多家主机厂研发试样多个镁合金项目。
公司全球化战略初具雏形。根据公司年报，自2023年下半年起，墨西哥生产基地建设有序推进，预计将于2025年正式投产运营。墨西哥生产基地作为旭升首个海外制造基地，将重点面向北美及欧洲市场，通过技术升级与国际化布局，为国际客户提供轻量化部件一站式解决方案。2024年末公司宣告泰国生产基地的计划，重点部署铝镁合金智能机械零部件、新能源汽车关键核心部件及人形机器人铝镁合金零部件制造。随着墨西哥、泰国基地的稳步推进，公司正式搭建起“中国 北美 东南亚”三角产能网络，持续深化“技术出海”与“本土共生”的双轨战略。
人形机器人业务，公司以前瞻视野抢先布局。公司深度挖掘自身铝合金精密加工专长，结合人形机器人独特的结构与性能需求，全力投入关节壳体、躯干结构件等关键产品研发，并斩获多家海内外客户项目定点。
2.星源卓镁
镁合金产品优势凸显，关注新领域拓展情况。公司是镁合金压铸领域先行者，公司围绕镁合金、铝合金在汽车轻量化、电动化以及智能化方面的应用，国内外同步发展，并将现有产品推广至其他品牌汽车。此外，公司积极拓展业务边界，将镁合金材料优势拓展至电动自行车、园林工具、低空等领域。
公司致力于成为“镁合金轻量化领域的领航者”，主营业务也越来越聚焦于汽车行业中镁合金产品，2024年主营业务中镁合金压铸件收入占比近70%，成为增长主力。新能源汽车动力总成零部件、车载显示系统支架等品类显著增长，随着客户项目逐步放量，规模效应加速释放，驱动公司产能利用率稳步提升。
海外布局初显成效，多元市场拓展打开成长空间。2024年，公司内销收入2.87亿元，同比增长12.66%；外销收入1.22亿元，同比增长24.74%。公司利用泰国的政策优惠和劳动力资源优势，同时引进先进的自动化产线及高压、半固态成型工艺，实现镁合金汽车零部件的大规模、高效率制造，积极响应东南亚市场持续扩张的需求。
依托核心技术绑定客户，积极探索镁合金新领域应用。公司在汽车电子领域，联合电子设备厂商深度协同，通过材料体系优化与铸造工艺革新，突破了传统金属材料与注塑件在散热效率与轻量化之间的技术瓶颈，实现了产品表面质量、结构精度与能耗效率的全面提升。另一方面主动对接主机厂在新能源动力总成壳体方面的核心需求，推动从Tier2向Tier1转型升级。同时公司积极延伸镁合金材料应用场景，将技术优势拓展至电动自行车、园林工具及低空经济等多个新兴领域，展现出强大的产品创新与跨界融合能力。
3.永茂泰
公司处于汽车用铸造再生铝合金领域第一梯队，主要从事汽车用铸造再生铝合金和汽车零部件业务。公司至今从事汽车用再生铝合金业务已有30多年，从事汽车零部件业务已有20多年，同时公司开展废铝回收和铝灰渣资源化利用业务（是国内为数不多的具备铝危废处置经营资质的企业公司），已形成废铝回收、汽车用铸造再生铝合金和汽车零部件生产、铝危废运输和资源化利用的上下游一体化全产业链低碳循环，现主要有上海、安徽、成都、重庆等生产基地。截至2024年12月底，公司在运行铝合金产能31.3万吨，汽车零部件2，500万件以上，铝危废处置产能3.3万吨。
机器人轻量化主要用到铝、镁合金，公司积极布局铝、镁合金产品在机器人领域应用行业：①汽车零部件和人形机器人部件之间存在着较大的技术同源性。人形机器人产业目前正处于行业发展的导入期，国内各部门、各地区均出台人形机器人相关政策，将有力推动国内人形机器人产业向前发展。汽车与机器人高度同源，整机厂加快机器人布局，海内外科技类公司持续创新，共同助力人形机器人落地。汽车零部件和人形机器人部件之间存在着较大的技术同源性，汽车零部件企业具备高效降本和大规模量产能力，汽车产业优秀公司加入有望助力人形机器人产业快速发展。②机器人轻量化是必然趋势。为适应机器人更加轻巧、高效率及操作便捷性等需求，机器人轻量化是未来的发展趋势，机器人轻量化途径除了结构设计轻量化外，材料轻量化更为重要。材料轻量化相对于结构轻量化而言，使机器人具有更大的减重潜力和更广阔的应用范围。③铝合金、镁合金“受重用”。除了救援救灾等场景对机器人有一定配重要求外，在满足性能要求的前提下，机器人外壳材料的重量越轻越好。出于减重需求，未来镁、铝合金可能作为替代材料，让机器人拥有更轻便的本体。
公司从汽车材料和零部件领域转型机器人轻量化材料方向，或将有望受益于机器人轻量化增量。公司在汽车零部件行业二十多年积累技术、质量、渠道、成本等优势，积极布局铝合金产品在机器人领域应用，目前已与部分客户同步开发机器人相关铝合金零部件产品；在产品布局方面，今年3月，公司正式成立镁合金事业部，主要从事镁合金材料及产品的开发、生产与销售，目前已与多家客户开展镁合金产品的同步设计与开发，预计今年下半年将完成试制；2025年，公司将瞄准机器人零部件行业广阔的市场需求，积极参与机器人领域的同步研发，加快机器人客户和产品的拓展，抢占机器人行业发展新机遇，力争成为机器人零部件行业优质供应商。
4.肇民科技
精密注塑隐形冠军，受益轻量化发展，盈利能力领先同业。公司主营精密注塑件，聚焦深耕高精密度、高品质、高附加值的核心功能部件并持续拓品类，下游主要应用于汽车&家电领域，并积极延展至人形机器人、低空经济等新应用领域。新能源车精密注塑功能结构件受益汽车轻量化趋势，通过“以塑代钢”可以实现减重降能耗降噪，公司客户绑定核心tier1包括三花、皮尔博格等。聚焦高附加值核心功能件&绑定头部客户带来高盈利，公司汽车业务毛利率保持在30%以上且高于同业公司。
技术&产能&客户三重优势，平台化延展加速人形机器人布局。技术端，精密注塑多年深耕与积累，实现对人员、模具、材料、机器设备、工艺方法等要素的有机结合，具有独立的模具设计与制造能力和特种工程塑料应用开发能力，平台化延展加速新业务发展，其中在人形机器人领域，2024年公司已与客户共同成功开发多个人形机器人精密零部件新品。
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参考研报
1.东北证券-计算机行业人形25H2：继续看好国产链 轻量化 应用线
2.东北证券-机械设备行业机器人轻量化：材料与技术的革新之路
3.申万宏源-机器人行业点评：持续看好机器人板块，关注新玩家、新技术、轻量化
4.信达证券-机器人行业报告（七）：轻量化大势所趋，镁合金 工程塑料加速渗透
5.东吴证券-人形机器人行业深度报告：人形轻量化大势所趋，镁合金&“以塑代钢”是核心
6.东吴证券-人形机器人行业深度研究系列九：人形机器人轻量化，产业化前夕的进修课，应用为重
7.东吴证券-机械设备行业跟踪周报：持续推荐工程机械油服设备业绩增长确定机会；关注机器人轻量化技术进步
8.东吴证券-机器人行业轻量化深度报告：机器人轻量化大势所趋，镁合金&PEEK材料加速应用
9.方正证券-机器人行业专题报告：轻量化，人形机器人重要产业趋势，镁合金、PEEK等材料或迎来渗透率向上
10.浙商证券-人形机器人行业系列深度（七）：轻量化的核心，期待人形打开成长空间
11.广发证券-旭升集团-603305-推进全球化战略，前瞻布局人形机器人
12.国信证券-旭升集团-603305-一季度毛利率环比提升，人形机器人业务全面推进
13.天风证券-星源卓镁-301398-24年业绩增长，加速镁合金海内外产能扩张
14.甬兴证券-星源卓镁-301398-25年一季报业绩点评：盈利能力略有承压，关注新领域拓展
15.山西证券-星源卓镁-301398-公司经营持续改善，镁合金应用加速拓展
16.上海证券-永茂泰-605208-首次覆盖深度：深耕汽车用铸造再生铝合金和汽车零部件领域，积极布局机器人轻量化材料铝、镁合金
17.中泰证券-肇民科技-301000-首次覆盖报告：精密注塑隐形冠军，平台化延展加速机器人布局
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