深度解析：人形機器人爆發(fā)機會

鐵馬冰河雄關 2025-01-15 發(fā)布于北京

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1、人形機器人市場正快速擴張，預計2030年全球出貨量將達38,000臺，復合年增長率約83%。中國市場的規(guī)模預計在2035年達到3000億元，人形機器人將成為智能機器人的主要產品形態(tài)。

2、高性能釹鐵硼、碳纖維、PEEK和特種鋼材等人形機器人中的關鍵材料，分別用于電機、輕量化結構和特殊部件，顯著提升性能并降低成本。

3、PEEK材料需求預計將大幅增加，特斯拉最新一代Optimus-Gen2機器人采用大量PEEK，實現了減重與性能提升。國內企業(yè)如中研股份正在迅速擴大產能以滿足市場需求。

4、金力永磁、寧波韻升、光威復材和中研股份等中國企業(yè)，在高性能釹鐵硼、碳纖維及PEEK等領域掌握核心技術，成為推動中國新材料產業(yè)發(fā)展的關鍵力量。

周一，A股三大指數漲跌不一，截止收盤，滬指跌0.24%，收報3160.76點；深證成指漲0.00%，收報9796.18點；創(chuàng)業(yè)板指漲0.36%，收報1982.46點。滬深兩市成交額自去年9月25日以來首次不足萬億，今日僅有9664億，較上周五縮量1819億。

人形機器人板塊在今日震蕩分化，沖高回落，成交金額507億，換手率5.58%，上漲數和下跌數基本持平，其中金奧博3連板、新興裝備漲停。

人形機器人在設計和制造過程中使用了多種新材料，這些材料有助于實現輕量化、高強度、耐久性等目標。人形機器人中常用到的新材料包括：永磁材料及高性能釹鐵硼、碳纖維、PEEK、特種鋼材、各種合金材料等，這些材料的應用有助于提升人形機器人的性能、降低成本并推動其產業(yè)化進程。

伴隨生成式AI的發(fā)展，人形機器人大規(guī)模商業(yè)化迎來重大突破，市場規(guī)模有望快速發(fā)展，人形機器人量產在即；通過對人形機器人結構的拆解，我們了解到永磁材料、碳纖維、PEEK和特種鋼材是人形機器人中用量較大的原材料。

下面我們就對這些新材料分別進行梳理：分析這些新材料在人形機器人中的比較優(yōu)勢、市場空間及國內競爭格局等情況，并對相關公司進行梳理，希望對于我們具體了解這些新材料有所幫助。

一、人形機器人發(fā)展空間概述

1、人形機器人市場空間巨大

人形機器人市場迎來突破，Omdia指出，人形機器人部分驅動力來自生成式AI。在多個因素共同作用下，雙足擬人形態(tài)的人形機器人可以實現大規(guī)模商業(yè)化。Omdia報告預計，2027年全球人形機器人出貨量將超過10000臺，到2030年將達38000臺；2024-2030年CAGR約為83%。

中國人形機器人市場規(guī)模有望快速發(fā)展。根據首屆中國人形機器人產業(yè)大會發(fā)布的《人形機器人產業(yè)研究報告》預測，2024年中國人形機器人市場規(guī)模將達到27.6億元；到2035年，市場規(guī)模更有望達3000億元。

中國智能機器人市場迅速增長。根據弗若斯特沙利文數據，2023年中國智能服務機器人的市場規(guī)模達660億元，預計到2028年將達1832億元。同時AI技術的深度融合正加速推動該行業(yè)向更高的自動化和智能化水平轉型；通過提供全面解決方案，智能機器人企業(yè)不僅能更好地服務于客戶，還有望開拓出更多創(chuàng)新的應用場景。

未來人形機器人將成為智能機器人的主要產品形態(tài)。人形機器人不僅擁有更加復雜的功能，能廣泛應用于各行各業(yè)，還將通過具身智能實現與物理世界的深度交互和自主學習。

2、人形機器人發(fā)展不斷突破

人形機器人集人工智能、高端制造、新材料等先進技術來實現擬人化的功能，環(huán)境適應更通用、任務操作更多元。從1970年日本建造出第一個擬人機器人Wabot-1，再到特斯拉Optimus引發(fā)對人形機器人產業(yè)化、商業(yè)化的探索，人形機器人發(fā)展不斷突破、日益蓬勃。

3、機器人時代即將到來，人形機器人量產在即

隨著認知智能基礎模型和物理智能基礎模型的快速發(fā)展，機器人時代即將到來，人形機器人量產在即。根據前瞻網資訊，英偉達創(chuàng)始人黃仁勛預測，未來有三種機器人有望實現大規(guī)模生產，分別是汽車、無人機和人形機器人；并且產量最大的將是人形機器人，因為完全適應人類生存的世界為人形機器人的大規(guī)模生產提供了得天獨厚的條件。

二、人形機器人結構拆解及新材料人

1、人形機器人包含四大核心技術模塊

人形機器人主要包含四大核心技術模塊：環(huán)境感知模塊、智能AI芯片模塊、運動控制模塊、操作系統(tǒng)模塊，其中前三大技術模塊與硬件有關。

2、人形機器人結構拆解

（1）Optimus全身有72個自由度，分布在各個身體部位

人形機器人的自由度需要執(zhí)行結構達成，組成Optimus的14個旋轉執(zhí)行器、14個線性執(zhí)行器、靈巧手的多個空心杯關節(jié)為其帶來了72個自由度，使其不同身體部位能夠前擺(Pitch)、扭轉(Yaw)、側擺(Roll)運動，同時每只靈巧手的22個自由度讓其能夠執(zhí)行更復雜的操作。

（2）Optimus具有獨特的執(zhí)行器設計與分布

（3）Optimus成本拆分

在Optimus整機的BOM中，FSD芯片及套件、六維力矩傳感器、行星滾柱絲杠、諧波減速器、無框電機價值量位列前五，分別占整機價值的比重為22.86%、16.73%、14.85%、8.54%、7.85%。

三、永磁材料及高性能釹鐵硼

1、永磁材料是伺服系統(tǒng)電機的核心材料

伺服系統(tǒng)是人形機器人三大核心部件之一，永磁材料主要用于伺服系統(tǒng)電機。釹鐵硼永磁材料憑借其高內稟矯頑力和高磁能積的特點，成為人形機器人伺服電機中的優(yōu)選材料，尤其是其在無框力矩電機和空心杯電機的應用。

Tesla Optimus關節(jié)模組采用無框力矩電機，靈巧手采用空心杯電機，均使用高性能釹鐵硼材料。

2、高性能釹鐵硼比較優(yōu)勢顯著，可用于人形機器人伺服系統(tǒng)

釹鐵硼永磁號稱“磁王”，在工業(yè)化生產中比較優(yōu)勢顯著。釹鐵硼永磁是第三代永磁體，具有機械性能較好，能量密度高，有利于磁性組件的輕型化、薄型化、小型或超小型化的特點，是當前工業(yè)化生產中產量最高、應用最廣泛的稀土永磁材料。釹鐵硼永磁的出現不僅使電聲電機、儀器儀表、磁選磁化、醫(yī)療器械等設備向小型化、高頻化、高性能、低損耗、低噪聲方向發(fā)展，而且憑借節(jié)能環(huán)保的特點使其應用從傳統(tǒng)領域拓展到新能源汽車、風力發(fā)電、節(jié)能家電和航空航天等新興領域。

高性能釹鐵硼指內稟矯頑力和最大磁能面積之和大于60的燒結釹鐵硼永磁材料，被應用于高技術壁壘領域。不同性能的釹鐵硼系列適用于不同領域，其中高性能釹鐵硼永磁材料指以速凝甩帶法制成、內稟矯頑力Hcj（kOe）和最大磁能積（BH）max（MGOe）之和大于60的燒結釹鐵硼永磁材料，被應用于高技術壁壘領域的各種型號的電機、壓縮機、傳感器領域。根據弗若斯特蘇利文，下游消費結構中，風電/新能源汽車/節(jié)能電梯/節(jié)能變頻空調/工業(yè)機器人/傳統(tǒng)汽車分別占比達19.8% /15.0% /14.6% /14.0% /12.8% /12.8%；預計到2025年，新能源汽車將成為高性能釹鐵硼消費量最高的領域，占比達29.1%。

中國高性能釹鐵硼產能占全球比例超70%，海外生產廠商以日本為主。近年來，國內稀土永磁行業(yè)在政策扶持下不斷發(fā)展，技術水平已處于全球領先位置，頭部高性能釹鐵硼生產企業(yè)積極擴大生產。根據弗若斯特沙利文，2020年國內高性能釹鐵硼磁材產量為4.6萬噸，全球產能占比70%，預計到2025年，國內高性能釹鐵硼磁材產量將上升至10.5萬噸，全球產能占比81%。海外方面，高性能釹鐵硼永磁材料主要生產企業(yè)以日本為主，包括日立金屬株式會社、TDK株式會社、信越化學工業(yè)株式會社等，其在工藝技術和專利方面具有先發(fā)優(yōu)勢。

人形機器人伺服系統(tǒng)的主要材料為高性能釹鐵硼，主要用于制造無框力矩電機和空心杯電機。人形機器人產業(yè)鏈包括上游原材料及核心零部件、中游機器人本體及系統(tǒng)集成商、下游中端應用市場。高性能釹鐵硼永磁材料憑借其高內稟矯頑力（kOe）和高磁能積（MGOe）的特點，用于人形機器人上游伺服系統(tǒng)，影響人行機器人關節(jié)的輸出特性。Tesla Optimus關節(jié)模組采用無框力矩電機，靈巧手采用空心杯電機，均采用高性能釹鐵硼材料。

3、釹鐵硼市場空間測算

據高盛預測，在技術得到革命性突破的理想情況下，人形機器人2025-2035年銷量CAGR可達94%，2035年市場規(guī)模將達1540億美元。人形機器人有望成為新能源汽車電動車后，釹鐵硼材料下游又一規(guī)模龐大且增長快速的應用需求領域。

以Tesla Optimus為例，Tesla Optimus有40個電機，包括28個無框電機和12個空心杯電機，其中手臂、手掌、腿部各12個電機，脖子與軀干各2個電機。假設單臺人形機器人需要使用成品釹鐵硼2-4kg，對應毛坯釹鐵硼約2.8-5.7kg。

根據相關預測，2025-2030年全球制造類人形機器人需求量將由5萬臺增長至600萬臺，服務類人形機器人需求量將由5萬臺增長至103萬臺，預計2030年全球形機器人總需求量有望達到703萬臺。按照單臺人形機器人使用釹鐵硼3kg測算，預計2030年人形機器人領域對氧化鐠釹的需求量將達到7200噸。

四、碳纖維和PEEK

1、碳纖維和PEEK是機器人輕量化核心材料

人形機器人的體重需要嚴格把控，若體重過重，則會加重伺服電機的扭矩負擔，難以滿足驅動機器人行動的要求。本體輕量化后的機器人可大幅提高運動的機動性和工作效率，進而改善操作速度和動作準確度，同時減輕運動慣性，提高了機器人的本質安全性。各機器人制造公司在滿足機器人高速度和高精度基礎性能要求的基礎上，通過運行輕量化技術減輕機器人的自重，不僅提升了機器人的綜合性能同時還降低了能耗，減少了環(huán)境污染。機器人輕量化結構材料需要滿足以下要求：

（1）強度高

在工業(yè)生產中機器人結構材料必須保證一定的強度，否則將會增加安全事故的產生并影響機器人的使用壽命。

（2）較大的彈性模量和彈性極限

機器人需要在服役過程中承受外力，因此需要具有抵抗彈性變形的能力，同時要盡可能的避免服役過程中的塑性變形，這是機器人精確控制的基礎。

（3）較大的震動阻尼

因為機器人部件啟動，制動的過程中會由于自身慣性，造成局部受力，并產生局部的震動，為了精確定位，穩(wěn)定傳動，需要材料本體吸收這部分的震動阻尼。

（4）輕量化

機器人材料的輕量化可以減少使用能耗，降低運動慣性從而降低部件受力，同時減少傳動部件的負擔。在特殊服役環(huán)境下，如航天領域，輕量化的結構能夠盡可能的為其他部件設計提供自重余量。

2、碳纖維輕質高強，大大提高人形機器人安全性及效率

先進復合材料性能優(yōu)于金屬。與鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維等現代復合材料為生產重量更輕、強度更高的機器人結構部件提供了高性能解決方案。碳纖維的輕質與其伴隨的強度相匹配，因此改進的復合材料對人形機器人的未來發(fā)展至關重要。

碳纖維在人形機器人中的應用主要在于機械臂。國內市場中的機械手臂多數采用鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造。這種金屬材料制作成的機械手臂存在速度慢、能耗大、易變形磨損等缺點，并且這些金屬材料的成型條件復雜，成型難度大，且抗震性及抗氧化性不佳。采用碳纖維增強材料制作的機械手臂，其優(yōu)勢體現在：

1）自重輕、能耗低，生產效率高，碳纖維復合材料密度僅為鋼材的1/3，較鋁合金輕30%。

2）強度大、承載多，碳纖維復合材料不論是比強度、比模量，還是抗拉強度，均比鋼更強，比強度甚至是鋼鐵材料的43倍。

3）蠕變小、精度高，碳纖維復合材料熱膨脹系數極低、蠕變小，能夠適應溫差較大的工作環(huán)境。

4）碳纖維復合材料具有良好的耐疲勞性、耐磨損，降低維護或更新的頻率。

仿生骨骼領域碳纖維應用是近幾年的研究熱點。碳纖維機械手臂開發(fā)階段需要經歷技術研發(fā)、小試、中試、產業(yè)化等階段，其中包括產品的工藝優(yōu)化、安全檢測、質量檢測、報廢產品處理等。碳纖維的質量輕、比強度（強度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同強度的機械手臂，選用碳纖維復合材料（CFRP）可以做得很輕。由于碳纖維復合材料所具有的這些優(yōu)異的性質，其在機器人工業(yè)領域方面是近幾年的研究熱點：

1）為了兼顧輕量化和安全性，2012年美國仿生控股有限公司（Ekso Bionic）推出的康健型的下肢外骨骼系統(tǒng)Ekso的關鍵部位采用了大量的鋁合金、鈦合金和碳纖維的復合材料。

2）日本松下電器產業(yè)株式會社(Panasonic)在2015年9月推出的質量僅為6kg的可穿戴式機器人“Assis tSuite”，其零部件主要采用了碳纖維復合材料，機器人用于輔助重物裝卸作業(yè)。

3）北京郵電大學研制的一款新型機器人碳纖維臂桿，采用碳纖維降低了機器人手臂的自重，從而減少了震動、運動慣性、降低了能耗，同時實現了機器人手臂更加平穩(wěn)的移動。

4）無錫威盛新材料提供的相關產品數據證明，使用碳纖維復合材料制作的機械臂，能夠有著比起傳統(tǒng)鋼鐵材料和鋁合金更加均勻的載荷分布，整體質量比鋁合金材質減輕了30%，比鋼鐵材質輕了70%，臂架重心因此而降低了10%，振動減少了40%，精準度由0.03mm提升到0.01mm，安全穩(wěn)定性和工作效率都得到了有效提升。

除此之外目前已發(fā)布的機器人機械臂，如德國宇航中心第三代輕型機械臂（LWRⅢ）、Kinova的7自由度JACO機械臂、挪恩復材、江蘇博實等公司產品均利用碳纖維材料幫助機械臂達輕量化效果。

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