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人形机器人在设计和制造过程中使用了多种新材料，这些材料有助于实现轻量化、高强度、耐久性等目标。人形机器人中常用到的新材料包括：永磁材料及高性能钕铁硼、碳纤维、PEEK、特种钢材、各种合金材料等，这些材料的应用有助于提升人形机器人的性能、降低成本并推动其产业化进程。伴随生成式AI的发展，人形机器人大规模商业化迎来重大突破，市场规模有望快速发展，人形机器人量产在即；通过对人形机器人结构的拆解，我们了解到永磁材料、碳纤维、PEEK和特种钢材是人形机器人中用量较大的原材料。下面我们就对这些新材料分别进行梳理：分析这些新材料在人形机器人中的比较优势、市场空间及国内竞争格局等情况，并对相关公司进行梳理，希望对于我们具体了解这些新材料有所帮助。
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人形机器人市场迎来突破，Omdia指出，人形机器人部分驱动力来自生成式AI。在多个因素共同作用下，双足拟人形态的人形机器人可以实现大规模商业化。Omdia报告预计，2027年全球人形机器人出货量将超过10000台，到2030年将达38000台；2024-2030年CAGR约为83%。中国人形机器人市场规模有望快速发展。根据首届中国人形机器人产业大会发布的《人形机器人产业研究报告》预测，2024年中国人形机器人市场规模将达到27.6亿元；到2035年，市场规模更有望达3000亿元。中国智能机器人市场迅速增长。根据弗若斯特沙利文数据，2023年中国智能服务机器人的市场规模达660亿元，预计到2028年将达1832亿元。同时AI技术的深度融合正加速推动该行业向更高的自动化和智能化水平转型；通过提供全面解决方案，智能机器人企业不仅能更好地服务于客户，还有望开拓出更多创新的应用场景。未来人形机器人将成为智能机器人的主要产品形态。人形机器人不仅拥有更加复杂的功能，能广泛应用于各行各业，还将通过具身智能实现与物理世界的深度交互和自主学习。人形机器人集人工智能、高端制造、新材料等先进技术来实现拟人化的功能，环境适应更通用、任务操作更多元。从1970年日本建造出第一个拟人机器人Wabot-1，再到特斯拉Optimus引发对人形机器人产业化、商业化的探索，人形机器人发展不断突破、日益蓬勃。随着认知智能基础模型和物理智能基础模型的快速发展，机器人时代即将到来，人形机器人量产在即。根据前瞻网资讯，英伟达创始人黄仁勋预测，未来有三种机器人有望实现大规模生产，分别是汽车、无人机和人形机器人；并且产量最大的将是人形机器人，因为完全适应人类生存的世界为人形机器人的大规模生产提供了得天独厚的条件。人形机器人主要包含四大核心技术模块：环境感知模块、智能AI芯片模块、运动控制模块、操作系统模块，其中前三大技术模块与硬件有关。（1）Optimus全身有72个自由度，分布在各个身体部位人形机器人的自由度需要执行结构达成，组成Optimus的14个旋转执行器、14个线性执行器、灵巧手的多个空心杯关节为其带来了72个自由度，使其不同身体部位能够前摆(Pitch)、扭转(Yaw)、侧摆(Roll)运动，同时每只灵巧手的22个自由度让其能够执行更复杂的操作。在Optimus整机的BOM中，FSD芯片及套件、六维力矩传感器、行星滚柱丝杠、谐波减速器、无框电机价值量位列前五，分别占整机价值的比重为22.86%、16.73%、14.85%、8.54%、7.85%。伺服系统是人形机器人三大核心部件之一，永磁材料主要用于伺服系统电机。钕铁硼永磁材料凭借其高内禀矫顽力和高磁能积的特点，成为人形机器人伺服电机中的优选材料，尤其是其在无框力矩电机和空心杯电机的应用。Tesla Optimus关节模组采用无框力矩电机，灵巧手采用空心杯电机，均使用高性能钕铁硼材料。2、高性能钕铁硼比较优势显著，可用于人形机器人伺服系统钕铁硼永磁号称“磁王”，在工业化生产中比较优势显著。钕铁硼永磁是第三代永磁体，具有机械性能较好，能量密度高，有利于磁性组件的轻型化、薄型化、小型或超小型化的特点，是当前工业化生产中产量最高、应用最广泛的稀土永磁材料。钕铁硼永磁的出现不仅使电声电机、仪器仪表、磁选磁化、医疗器械等设备向小型化、高频化、高性能、低损耗、低噪声方向发展，而且凭借节能环保的特点使其应用从传统领域拓展到新能源汽车、风力发电、节能家电和航空航天等新兴领域。高性能钕铁硼指内禀矫顽力和最大磁能面积之和大于60的烧结钕铁硼永磁材料，被应用于高技术壁垒领域。不同性能的钕铁硼系列适用于不同领域，其中高性能钕铁硼永磁材料指以速凝甩带法制成、内禀矫顽力Hcj（kOe）和最大磁能积（BH）max（MGOe）之和大于60的烧结钕铁硼永磁材料，被应用于高技术壁垒领域的各种型号的电机、压缩机、传感器领域。根据弗若斯特苏利文，下游消费结构中，风电/新能源汽车/节能电梯/节能变频空调/工业机器人/传统汽车分别占比达19.8% /15.0% /14.6% /14.0% /12.8% /12.8%；预计到2025年，新能源汽车将成为高性能钕铁硼消费量最高的领域，占比达29.1%。中国高性能钕铁硼产能占全球比例超70%，海外生产厂商以日本为主。近年来，国内稀土永磁行业在政策扶持下不断发展，技术水平已处于全球领先位置，头部高性能钕铁硼生产企业积极扩大生产。根据弗若斯特沙利文，2020年国内高性能钕铁硼磁材产量为4.6万吨，全球产能占比70%，预计到2025年，国内高性能钕铁硼磁材产量将上升至10.5万吨，全球产能占比81%。海外方面，高性能钕铁硼永磁材料主要生产企业以日本为主，包括日立金属株式会社、TDK株式会社、信越化学工业株式会社等，其在工艺技术和专利方面具有先发优势。人形机器人伺服系统的主要材料为高性能钕铁硼，主要用于制造无框力矩电机和空心杯电机。人形机器人产业链包括上游原材料及核心零部件、中游机器人本体及系统集成商、下游中端应用市场。高性能钕铁硼永磁材料凭借其高内禀矫顽力（kOe）和高磁能积（MGOe）的特点，用于人形机器人上游伺服系统，影响人行机器人关节的输出特性。Tesla Optimus关节模组采用无框力矩电机，灵巧手采用空心杯电机，均采用高性能钕铁硼材料。据高盛预测，在技术得到革命性突破的理想情况下，人形机器人2025-2035年销量CAGR可达94%，2035年市场规模将达1540亿美元。人形机器人有望成为新能源汽车电动车后，钕铁硼材料下游又一规模庞大且增长快速的应用需求领域。以Tesla Optimus为例，Tesla Optimus有40个电机，包括28个无框电机和12个空心杯电机，其中手臂、手掌、腿部各12个电机，脖子与躯干各2个电机。假设单台人形机器人需要使用成品钕铁硼2-4kg，对应毛坯钕铁硼约2.8-5.7kg。根据相关预测，2025-2030年全球制造类人形机器人需求量将由5万台增长至600万台，服务类人形机器人需求量将由5万台增长至103万台，预计2030年全球形机器人总需求量有望达到703万台。按照单台人形机器人使用钕铁硼3kg测算，预计2030年人形机器人领域对氧化镨钕的需求量将达到7200吨。人形机器人的体重需要严格把控，若体重过重，则会加重伺服电机的扭矩负担，难以满足驱动机器人行动的要求。本体轻量化后的机器人可大幅提高运动的机动性和工作效率，进而改善操作速度和动作准确度，同时减轻运动惯性，提高了机器人的本质安全性。各机器人制造公司在满足机器人高速度和高精度基础性能要求的基础上，通过运行轻量化技术减轻机器人的自重，不仅提升了机器人的综合性能同时还降低了能耗，减少了环境污染。机器人轻量化结构材料需要满足以下要求：在工业生产中机器人结构材料必须保证一定的强度，否则将会增加安全事故的产生并影响机器人的使用寿命。机器人需要在服役过程中承受外力，因此需要具有抵抗弹性变形的能力，同时要尽可能的避免服役过程中的塑性变形，这是机器人精确控制的基础。因为机器人部件启动，制动的过程中会由于自身惯性，造成局部受力，并产生局部的震动，为了精确定位，稳定传动，需要材料本体吸收这部分的震动阻尼。机器人材料的轻量化可以减少使用能耗，降低运动惯性从而降低部件受力，同时减少传动部件的负担。在特殊服役环境下，如航天领域，轻量化的结构能够尽可能的为其他部件设计提供自重余量。2、碳纤维轻质高强，大大提高人形机器人安全性及效率先进复合材料性能优于金属。与铝合金等传统金属材料相比，碳纤维等现代复合材料为生产重量更轻、强度更高的机器人结构部件提供了高性能解决方案。碳纤维的轻质与其伴随的强度相匹配，因此改进的复合材料对人形机器人的未来发展至关重要。碳纤维在人形机器人中的应用主要在于机械臂。国内市场中的机械手臂多数采用钢、铁、铝合金等金属材料制造。这种金属材料制作成的机械手臂存在速度慢、能耗大、易变形磨损等缺点，并且这些金属材料的成型条件复杂，成型难度大，且抗震性及抗氧化性不佳。采用碳纤维增强材料制作的机械手臂，其优势体现在：1）自重轻、能耗低，生产效率高，碳纤维复合材料密度仅为钢材的1/3，较铝合金轻30%。2）强度大、承载多，碳纤维复合材料不论是比强度、比模量，还是抗拉强度，均比钢更强，比强度甚至是钢铁材料的43倍。3）蠕变小、精度高，碳纤维复合材料热膨胀系数极低、蠕变小，能够适应温差较大的工作环境。4）碳纤维复合材料具有良好的耐疲劳性、耐磨损，降低维护或更新的频率。仿生骨骼领域碳纤维应用是近几年的研究热点。碳纤维机械手臂开发阶段需要经历技术研发、小试、中试、产业化等阶段，其中包括产品的工艺优化、安全检测、质量检测、报废产品处理等。碳纤维的质量轻、比强度（强度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同强度的机械手臂，选用碳纤维复合材料（CFRP）可以做得很轻。由于碳纤维复合材料所具有的这些优异的性质，其在机器人工业领域方面是近几年的研究热点：1）为了兼顾轻量化和安全性，2012年美国仿生控股有限公司（Ekso Bionic）推出的康健型的下肢外骨骼系统Ekso的关键部位采用了大量的铝合金、钛合金和碳纤维的复合材料。2）日本松下电器产业株式会社(Panasonic)在2015年9月推出的质量仅为6kg的可穿戴式机器人“Assis tSuite”，其零部件主要采用了碳纤维复合材料，机器人用于辅助重物装卸作业。3）北京邮电大学研制的一款新型机器人碳纤维臂杆，采用碳纤维降低了机器人手臂的自重，从而减少了震动、运动惯性、降低了能耗，同时实现了机器人手臂更加平稳的移动。4）无锡威盛新材料提供的相关产品数据证明，使用碳纤维复合材料制作的机械臂，能够有着比起传统钢铁材料和铝合金更加均匀的载荷分布，整体质量比铝合金材质减轻了30%，比钢铁材质轻了70%，臂架重心因此而降低了10%，振动减少了40%，精准度由0.03mm提升到0.01mm，安全稳定性和工作效率都得到了有效提升。除此之外目前已发布的机器人机械臂，如德国宇航中心第三代轻型机械臂（LWRⅢ）、Kinova的7自由度JACO机械臂、挪恩复材、江苏博实等公司产品均利用碳纤维材料帮助机械臂达轻量化效果。
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