1、人形機(jī)器人材料發(fā)展歷程
各代材料及減重效果：第一代機(jī)器人主要使用鋁合金、鎂合金，減重效果達(dá)30% - 50%；第二代采用工程塑料和復(fù)合材料，減重40% - 60%；第三代用上碳纖維和鈦合金，相對(duì)原始鋼材可減重50% - 70%；第四代使用鎂鋁合金和蜂窩材料，減重60% - 80%；前沿實(shí)驗(yàn)室階段的超材料和可變剛度聚合物，理論減重達(dá)80% - 90%。材料的發(fā)展體現(xiàn)了機(jī)器人輕量化的不斷進(jìn)步，且輕量化是強(qiáng)度、重量、成本三角博弈的結(jié)果。關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)：1972年杜邦開發(fā)凱夫拉纖維，啟發(fā)復(fù)合材料在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用；1985年碳纖維汽車部件量產(chǎn)，使碳纖維行業(yè)成本下降，推動(dòng)其在機(jī)器人行業(yè)使用；2020年美國NASA開發(fā)的超輕鎂合金首次應(yīng)用于人形機(jī)器人航天測試。這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)機(jī)器人材料的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。2、碳纖維材料在人形機(jī)器人中的應(yīng)用 性能優(yōu)勢及應(yīng)用案例：碳纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度強(qiáng)，強(qiáng)度密度是鋼材四十多倍、鋁合金六倍。以特斯拉Optimus二代為例，采用碳纖維復(fù)合材料使機(jī)械臂重量較鋁合金減輕30%左右，震動(dòng)減少40%，精確度提升至0.01毫米左右，且能耗低、運(yùn)動(dòng)速度提升、壽命延長。國內(nèi)外有諸多成功案例，如美國康復(fù)外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵部位、松下可穿戴機(jī)器人都采用了碳纖維復(fù)合材料。國內(nèi)測試數(shù)據(jù)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展：國內(nèi)型材測試顯示，碳纖維機(jī)械臂較傳統(tǒng)金屬材料減重大概達(dá)70%，機(jī)器人骨架重心降低10%，提升了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和工作效率。全球碳纖維市場長期被東麗、三菱等企業(yè)主導(dǎo)，但我國企業(yè)技術(shù)突破和產(chǎn)能擴(kuò)張明顯，光威復(fù)材實(shí)現(xiàn)T700和T800級(jí)高端碳纖維量產(chǎn)，中復(fù)神鷹產(chǎn)能達(dá)全球第三，吉林碳谷在原絲領(lǐng)域取得技術(shù)突破，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能占全球30%以上且比例持續(xù)提升。3、PEEK材料在人形機(jī)器人中的應(yīng)用 材料特性及應(yīng)用價(jià)值：PEEK材料有“塑料之王”美譽(yù)，具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕特性。其長期使用溫度達(dá)250度，遠(yuǎn)高于普通工程塑料；比強(qiáng)度達(dá)1500，高于鋼和鋁；具有優(yōu)異耐磨和自潤滑性能，適合機(jī)器人關(guān)節(jié)部位。特斯拉Optimus two采用該材料使機(jī)器人重量減輕10千克，行走速度提升30%。性能對(duì)比及成本考量：與超高分子量聚乙烯、PEKK對(duì)比，PEEK在熱性能方面最耐高溫、熔點(diǎn)高；機(jī)械性能上具有高強(qiáng)度高剛性，適合用作結(jié)構(gòu)件；化學(xué)性能方面耐化學(xué)性能全面。價(jià)格方面，超高分子量聚乙烯20 - 60萬一噸，國產(chǎn)PEEK約30萬一噸，PEKK依賴進(jìn)口，價(jià)格200 - 600萬每噸。綜合性能和成本，用于高強(qiáng)度耐高溫部件，PEEK更具優(yōu)勢。市場應(yīng)用情況及需求潛力：多家機(jī)器人公司已嘗試使用PEEK材料并取得顯著效果，如波士頓動(dòng)力Atlas人形機(jī)器人掌指關(guān)節(jié)、UBTECH Walker系列擬人機(jī)器人骨架和關(guān)節(jié)都有應(yīng)用。假設(shè)齒輪和關(guān)節(jié)用1000克純PEEK材料，四肢用碳纖維復(fù)合PEEK材料，單個(gè)機(jī)器人消耗材料約6.56千克；按鋁合金密度計(jì)算替換成PEEK材料，單個(gè)機(jī)器人消耗約7000克。每百萬臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)PEEK材料需求量為6500 - 7000噸，若未來替代我國5%農(nóng)民工人數(shù)，PEEK潛在需求空間是全球目前年需求量的十倍以上，對(duì)應(yīng)市場規(guī)模約300億，考慮規(guī)模效應(yīng)后在100 - 150億左右。4、PEEK材料產(chǎn)業(yè)鏈及相關(guān)企業(yè) 上游原材料及成本占比：PEEK本質(zhì)是合成樹脂，上游原材料包括DFBP、對(duì)苯二酚、二苯酚、碳酸鈉及碳纖維、玻璃纖維、聚四氟乙烯等添加劑。DFBP最重要，成本占原材料一半以上，生產(chǎn)一噸PEEK約需0.7 - 0.8噸對(duì)應(yīng)單體；對(duì)苯二酚占成本15%左右，碳酸鈉占1%左右；PEEK復(fù)合材料中添加劑占成本20%。生產(chǎn)難點(diǎn)及相關(guān)企業(yè)：PEEK生產(chǎn)對(duì)單體純度要求高，如DFBP和二苯酚純度需達(dá)99%以上，DFBP上游上市公司中欣氟材有5000噸產(chǎn)能，新瀚新材規(guī)劃產(chǎn)能3400噸左右。生產(chǎn)過程對(duì)聚合條件嚴(yán)苛，需300度以上高溫和高真空環(huán)境，副產(chǎn)物有氟化氫，需特殊合金反應(yīng)釜。中研掌握聚合技術(shù)，有1000噸配套二苯酚自用，高端產(chǎn)品仍需進(jìn)口。金發(fā)科技研究超耐溫、耐磨PPA和PEEK材料，其通過金石成長基金間接持股宇樹科技，若機(jī)器人放量，產(chǎn)品有望快速切入產(chǎn)業(yè)鏈。5、PEKK材料情況 國產(chǎn)化現(xiàn)狀及成本：PEKK國產(chǎn)化率極低，需要99.5%高純度單體，國內(nèi)尚無企業(yè)可生產(chǎn)，進(jìn)口價(jià)格2000 - 5000元每千克，單體價(jià)格占成本40% - 60%，核心單體主要依賴實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模合成，未建立工業(yè)化產(chǎn)線，且因用到PEEK單體，國產(chǎn)化率更低。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)進(jìn)展：國內(nèi)涉及PEKK的上市公司凱盛新材可合成公斤級(jí)PEKK樹脂，但純度為工業(yè)級(jí)，聚合工藝不成熟，整體處于早期且價(jià)格高昂階段，需持續(xù)跟蹤。
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