1.1 机器人场景落地渐进，轻量化有望成为迭代重点
机器人场景落地加速。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。
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 Optimus Gen 2,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。
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：我们认为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%。
1.2 人形机器人有望借鉴电动汽车轻量化之路
电动汽车与人形机器人产业链有共通之处，如电池、电机、电控、芯片、摄像头、传感器等多 种零部件，我们认为人形机器人可以参考新能源汽车轻量化道路。在结构上，人形机器人的由 于身体面积小于汽车，而且结构件用量上小于汽车用量，因此在材料层面可以考虑采用铝镁合 金、工程塑料、碳纤维等轻量化部件去替代原有材料，利用密度低、强度较好的材料去降低自 重；在结构方面,可以对减速器、电机等关键部件进行尺寸、形状等方面的优化，从而降低部 件自身重量。
在应用场景方面，人形机器人工作场景交互为主，部件尺寸规格呈小型化设计，负载需求聚焦 轻量操作任务，与汽车应用场景差异显著。因此，我们认为汽车轻量化经验需结合机器人场景 特性，在关节电机等核心部件小型化和一体化方面，机器人有望加速迭代。
以特斯拉为例，特斯拉 Model3 通过多方案混合使用联合实现轻量化，我们认为特斯拉在 Optimus 轻量化方面也会借鉴汽车的轻量化经验来进一步实现轻量化。Model 3 的轻量化由电 池包开始，拓展到车身、底盘、电子电器等各个方面。轻量化路线以高性能、高度集成、高轻 量化的电池包为主来实现整车减重的目标，并通过高强度的车身进行保护，辅助电器、底盘的 轻量化，最终取得了整车较高的轻量化水平，同时平衡了碰撞性能、成本及各方面。虽然从白 车身轻量化系数上看车身的轻量化率较低，但其在电池包上进行了突破，使得整车轻量化指数 达到理想状态。 1）轻量化策略：Model 3 的轻量化主要从布置优化、结构优化、新材料、新工艺四个方面实 施。 2）轻量化技术：Model 3 通过高集成化设计，布局紧凑极限压缩空间，形成高轻量化的 E 平 台，CDC\OBC\PDU 高压 3 合 1 集成，重量可降低约 25%；电机和电机控制器、减速器 3 合 1 集 成化动力总成，重量可降低约 20%；电池包内，内壳体采用轻而薄的铝材；减少高压电缆的用 量，重量可降低约 5%。
我们认为人形机器人也有望通过多方案混合来实现轻量化，包括结构优化、零部件集成、轻量 化材料和工艺优化等方案。
轴向磁通电机在新能源汽车逐步应用，有望凭借轻量化优势切入人形机器人赛道。相比传统 径向电机，轴向磁通电机在体积、重量、成本及能效上优势显著，功率密度提升超 30%，能耗 降低 15%-20%，且支持多构型设计，适配不同需求。轴向磁通电机技术已应用于商用车及超跑 车型上，而随着车企加速布局，其在乘用车领域的商业化进程有望加速，成为新能源汽车动力 系统升级的重要方向。在人形机器人方面，国内人形机器人“青龙”的腿部系统追求轻量化、 高刚度和低惯量，搭载了高扭矩密度的轴向电机，以此保障它在复杂地形中的稳态行走能力。
集成化方案优势明显。以新能源汽车为例，新能源电驱动系统包括驱动系统(电机、电控、减 速器)和电源系统(0BC、DC-DC、PDU)，驱动系统整体来看，集成化依然是未来大势所趋，随着 深度集成化的进行，系统性能方面有望进一步提升，从二合一、三合一逐步过渡到多合一，集 成化可以降低汽车生产成本，另一方面也有望实现轻量化。 国内企业科盟创新全球首创轴向磁通电机与谐波减速器的毫米级同轴集成方案，彻底打破了 传统“电机+减速器”分体式技术路线。通过“轴向堆叠-分腔封装”与材料协同优化，关节模 组轴向长度压缩至不足传统方案的 55%。与此同时，超薄关节模组通过厚度不足 12mm 的扁平化 轴向磁通电机，结合 PEEK-金属复合壳体设计，与传统方案相比，模组总质量降低 40%，实现 了轻量化与结构强度的双重突破。在性能方面，在轴向尺寸缩减 50%、重量仅为 2.5kg 的情况 下，功率密度提升 3 倍，达到 80Nm/kg,峰值扭矩提升 20%，达到 200Nm，实现了轻量化与高性 能的平衡。
2.1 镁合金性价比较高，渗透率有望提升
常用轻量化材料可以分为铝、镁、工程塑料、碳纤维等种类。以新能源汽车为例，轻量化材 料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。参考星源卓镁招股说明书，高强度 钢发展最为成熟，但减重效果不明显；碳纤维复合材料轻量化效果最为明显，但成本较高，工 艺复杂，仍处于导入期；镁、铝材料有望加速渗透。镁合金的密度是 1.74g/cm3，是铝的 2/3 左右，不到钢的 1/4，使用镁合金作为汽车零部件材料具备明显的轻量化优势。其他材料方面， 碳纤维、PEEK 等工程塑料也是潜力较大的轻量化材料，未来随着成本降低，渗透率有望进一步 提升。
镁合金作为轻量化材料优势明显。镁合金作为轻量化材料有诸多优势，主要优点在于：1） 密度较低但强度高，是目前商用较轻的金属结构材料；2）镁合金的韧性好、阻尼衰减能力强， 可以有效减少振动和噪声；3）镁合金热容量低、凝固速度快，压铸性能好；4）具有优异的切 削加工性能；5）资源丰富且易于回收再生。
镁合金性价比较高。近年来随着镁价格回落，已经出现价格低于铝价格，性价比凸显，随着镁 合金压铸工艺的提升和加工安全性的提升，我们认为镁合金在轻量化领域的渗透率有望持续提 升。
汽车轻量化领域镁合金渗透率逐步提升。参考孔昌昌等《轻合金在汽车轻量化中的应用现状 及展望》，在我国，镁合金主要应用在航天军工领域以及轨道交通领域，在汽车领域的应用尚 处于起步阶段，国内单车应用平均 3～5kg。根据《节能与新能源汽车技术路线图》对我国汽车 领域镁合金市场空间的预测，2030 年我国单车整车镁合金用量将达 45kg。随着国内镁矿储量 的不断增加以及炼镁技术的提升、硅铁价格的下降，镁合金原材料价格逐步走低。同时，随着 多年来高校及科研机构对镁合金应用研究的深入和技术的积累，镁合金渗透率有望逐步提升。 整车厂方面，各大主机厂也在加快镁合金产品的研究和应用，像吉利、比亚迪、奇瑞、问界等 头部主机厂已经开始进行镁合金部件生产线的规划及设备投入，甚至已经开始量产某些车型上 的中大型部件并应用，比如问界 M7 后排座框、小米 SU7 动力总成壳体等。
在工业机器人方面，埃斯顿推出了镁合金机器人 ER4-550-MI。通过整机展示、镁合金部件与 传统铝合金部件的直观对比，凸显了镁合金在机器人轻量化方面的显著优势。机器人高速性能 提升 5%，功耗降低 10%，同时降低运输、安装成本。这款机器人适用于 3C、新能源、食品及半 导体等多个行业，展现了镁合金在机器人应用的广阔前景。在优势方面： 1）轻：采用镁合金材质精制而成，相较于铝合金，同类型部件减轻约 33%，整机重量减轻 11%。 2）快：材料轻量化与先进控制算法的双重优化，节拍速度提高 5%，响应速度更迅捷，处理能 力更高效。 3）稳：优异的热传导性能，关节件使用寿命更长；强大的减震能力使机器人在高速运行状态 下保持更高的操作精度；出色的电磁屏蔽能力，有效抵抗外部干扰。 4）省：相比传统材料，整机运行能量损耗降低 10%；高效的配置优化与设计，提高机器人性 能与生产作业效率。
2.2 PEEK 等工程塑料性能优异，有望在机器人核心部件上应用
聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，简称 PEEK），属于聚芳醚酮（PAEK）大类，是一种由 亚苯基环通过醚键和羰基连接而成的结晶型芳香族热塑性聚合物，是性能较好的热塑性材料之 一，主要性能优于金属和其他塑料材料。
与主要工程塑料、特种工程塑料相比，PEEK 性能全面，在刚性方面优于绝大多数特种工程塑 料的同时，也兼具韧性，展现了全面的机械性能，此外在耐热、耐磨、耐腐蚀等方面均表现优 异。
“以塑代钢”轻量化，PEEK 材料应用领域有望提升。PEEK 作为一种高分子新材料,其主要用 于替代金属材料,在“以塑代钢”轻量化”的大背景下，PEEK 以其优异的性能有望在中高端领 域逐步替换金属材料。PEEK 比强度大，在满足强度要求的前提下，可以大幅度减小材料本身 的自重，成为实现“轻量化”的解决方案。此外 PEEK 在绝缘性、耐化学性方面均优于普通金 属。
PEEK 材料市场目前主要由海外企业占据，国内企业逐步突破。参考前瞻产业研究院，由于较 高的技术壁垒，虽然 PEEK 材料早在上世纪 80 年代就被发明和不断开发，但长期以来真正掌握 PEEK 树脂大规模工业稳产技术的企业少之又少，全球聚醚醚酮市场高度垄断，英国威格斯公司、比利时索尔维公司和德国赢创公司等三家公司几乎占据了全球绝大部分的 PEEK 市场份额，其 中又以英国威格斯公司发展最为悠久，产销量最大，与其他竞争对手相比拉开了显著的差距。 中研股份自 2006 年成立以来，通过独立自主研发，在 2014 年成功实现了聚醚醚酮的产业化生 产，是目前除英国威格斯公司外全球第二家能够使用 5000L反应釜进行 PEEK聚合生产的企业。 2023 年，我国聚醚醚酮年产能超过 6900 吨，其中盘锦伟英兴的市场份额最大，均超过 20%;其 次是吉大赢创、中研股份、山东君昊和沃特股份。
PEEK 材料市场目前主要由海外企业占据，国内企业逐步突破。国产 PEEK 价格 400-500 元/公 斤（进口 800-1000 元/公斤）,价格相对较高，国产化率小于 15%，未来随着国产化率的提高和 原材料成本的降低，应用领域有望提升。上游原材料方面，以中研股份为例，氟酮是公司进行 PEEK 树脂合成的核心原料，占中研股份 PEEK 粗粉生产成本的 50%左右（2023 年），目前国内 氟酮供应商相对较少，新瀚新材等企业逐步实现上游原材料替代。
PEEK 可以应用于人形机器人肢体骨骼及关节传动等部件。PEEK 出色的耐磨性和自润滑性，超 低摩擦系数、低热膨胀系数，用于关节齿轮和轴承，可减少部件磨损、降低能耗和噪音，同时 强度高、尺寸稳定性好，且比金属材料更轻，可以提升人形机器人关节的扭矩/重量比，让机 器人运动更高效精准，延长使用寿命。
碳纤维复合 PEEK 材料强度较好。碳纤维以短碳纤维(SCF)、长碳纤维(LCF)和连续碳纤维(CCF) 形式增强 PEEK 树脂基，经过碳纤维增强可以显著提升 PEEK 树脂的力学性能和摩擦性能，从而 拓宽 PEEK 的应用领域。碳纤维增强后的 PEEK 复合材料在冲击强度、弯曲强度和模量方面得到 了大幅度的提升，伸长率急剧降低，比强度达钢材的 43 倍，热变形温度可超过 300℃。碳纤维 的增强在一定程度上能抵御 PEEK 的热软化，形成强度非常高的转移膜有效地保护接触区域， 所以碳纤维增强聚醚醚酮 PEEK 复合材料的磨损率明显比纯 PEEK 要低，可以有效延长设备的使 用寿命。参考聚泰新材料公众号： 1）机械性能：碳纤维的增加，提升了 JUTAIPEEK®CF30（复合 30%碳纤维）的整体机械强度， 对比 JUTAIPEEK®NA（纯 PEEK）提升 50%，展现出了优良的抗拉与抗弯性能，模量均不低于 10GPa，确保结构在拉伸与弯曲时的高强度与稳定性。 2）热性能：以热变形温度为例，JUTAIPEEK®CF30 的热性能相较于 JUTAIPEEK®NA 提升了一倍 多，热机械承载能力强，热形变温度超过 300℃，能在高温环境下保持优异的机械性能， 并且能够在 240℃下长期使用。 3）导 电 性 :JUTAIPEEK®NA 呈现出优异的电气绝缘性，低的介电常数和介电损耗， JUTAIPEEK®CF30 添加了碳纤维，由于碳纤维具有导电性，因此提升了绝缘 PEEK 基体的电 气性能。
PEEK 等工程塑料在人形机器人关节、外壳等有所应用，未来随着价格下降，应用领域有望进 一步提升。PEEK、碳纤维复合 PEEK 等材料性能优良，具有高比强度和低密度等特性，在肢体 骨骼与关节、机械臂、齿轮与链条、防护与外壳等环节有望应用。未来随着国内厂商崛起，价 格有望逐步下降，应用领域有望扩展。
参考刘伟等《机器人灵巧手研究综述》，灵巧手的主要传动方式有连杆传动、齿轮传动、 带传动以及线绳传动： 1）连杆传动多用于工业和商业用途，多个连杆串并联混合的使用形式较为常见。手指的 运动和动力由刚性连杆传递，能够抓取大型的物体且结构设计紧凑，可以完成包络抓取。 但是在远距离的控制上就比较困难，容易发生弹射，抓取的空间较小。 2）齿轮传动在工业机器人中应用比较广泛，它能获得稳定的传动比，传递效率高，可靠 性更强。但齿轮本身的质量加大了整体的质量和惯性。 3）线绳驱动是目前灵巧手研究中应用最为广泛的一种传动方式，线绳在一定程度上模拟 了人手的肌腱结构，线绳传动使得大型的驱动器远离了执行机构，减轻末端的负载和惯量， 提升了抓取的速度，它排布灵活，适合空间狭小且需要驱动自由度数目较多的传动场合。 但它也有自身的局限性，如带负载能力弱，预紧力变化大，负载越大效率越低等。
灵巧手腱绳方案应用可能性有望提升。参考刘伟等《机器人灵巧手研究综述》，从目前灵 巧手种类来看，已经有部分灵巧手自由度达到20以上。从传动方式来说，腱绳、韧带、连 杆等均有应用，腱绳方式应用相对较多，在复杂度较高的灵巧手中可能更为适用。
钢丝绳腱绳较重，UHMWPE纤维等材料有望成为可选方案。UHMWPE纤维密度较强，同时耐疲 劳性等性能较高，有望成为腱绳轻量化方案之一。
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