轻量化与感知突破：人形机器人核心材料趋势探析

人工智能和机器人技术的快速发展，正在加快重塑全球制造业新格局。

其中，汽车产业生态是人形机器人的重点使用场景之一。例如，马斯克推出的擎天柱机器人，已经被实验性地布置在汽车电池的生产环节，可以完成从生产线上拾取电池，并将其放置入柜体的合适卡槽内的动作。优必选的Walker S系列也在某车企产线中完成拧紧螺丝等操作，不仅大幅提升了拧紧效率，还降低了因人工操作不规范导致的质量问题。

 

如今，在注塑加工企业的工厂里，类似的人形机器人也将为降本增效带来福音。

在9月12日的拓斯达全球开放日上，该公司面向全球正式发布首款人形机器人——小拓。这也是第一台在注塑行业落地应用的人形机器人，标志着人形机器人在工业场景的应用迈出关键一步。

据悉 “小拓”具备21个自由度（不含灵巧手），采用升降式设计，身高可实现1.2米-1.8米的动态调整，双臂负载最大可达20kg，手臂重复定位精度达到±0.05mm，既能胜任重物搬运，也能实现灵巧操作。

该公司还介绍，“小拓”基于拓斯达与智谱共同构建的具身模型，可实现对复杂任务的自主推理与决策——依托对15000家工业客户的场景理解与技术积累，“小拓”已在注塑车间完成多轮验证。通过集成3D相机与AI视觉检测系统，它能够实时识别注塑件良率，并自主完成装盘等工序，实现从检测到操作的全流程自动化。

为了解决传统机械臂在轻量化、高负载、高刚性难以平衡兼顾的难题，拓斯达研发团队通过运动力学复合精密结构设计，以及特殊镁铝合金材料轻量化技术巧妙化解，最终实现在单臂实现最大负载10kg的同时，将自重保持在15kg，手臂负载/自重比达到0.67，远高于一般工业机器人的0.2~0.3水平。

目前，拓斯达的团队正针对汽车零部件、3C电子等细分领域开展定制化开发，预计年内将完成5个以上行业场景的适配验证。通过不断的技术创新与市场拓展，拓斯达的目标是将“小拓”打造成各大工业领域的标杆产品。

驶入发展快车道的人形机器人，目前正处于智能化发展逐渐向大规模应用过渡的阶段，相关新材料将持续收益。其主要应用在骨骼、外壳等方面，包括高端工程塑料、碳纤维和电子皮肤材料。

 

高端工程塑料： 替代传统金属材料，实现轻量化

◆ 聚醚醚酮（PEEK）：机器人骨架轻量化的重要材料
PEEK材料因其卓越的性能，在“以塑代钢”和“轻量化”的发展趋势下，正逐步取代部分金属材料的应用。在人形机器人领域，国内已有企业将其运用于关节、轴承、齿轮及四肢等关键部件，不仅有效降低了整体重量，还提供了可靠的传动与支撑性能，同时显著减少摩擦与磨损，从而延长机器人的使用寿命。以特斯拉Optimus-Gen2人形机器人为例，PEEK材料充分发挥其轻量化优势，成功实现减重10公斤，并提升机器人30%的行走速度。

目前，全球PEEK行业产能分布较为集中，市场竞争呈现出“一超多强”的格局（图1）。英国威格斯作为全球最大的PEEK生产商，年产能达7150吨，约占全球总产能的60%。其他主要生产企业包括世索科、赢创、长春吉大高新材料公司、金发科技、盘锦伟英兴、山东君昊、沃特股份以及吉大特塑等。

 

图1：全球PEEK行业产能竞争格局（2022年）

◆ 聚酰胺（PA）：机器人零部件常见材料
在人形机器人领域，聚酰胺树脂凭借其优异的韧性、耐磨性和可塑性，被广泛应用于机器人零部件的3D打印制造中。以法国Ensta Paris Tech公司与FlowersLab合作开发的Poppy机器人为例，该机器人身高83厘米，总重仅3.5千克，其所有结构部件除马达和电子电路外，均采用聚酰胺材料通过3D打印技术制成。

 

图2：我国PA66最新产能占比分布

目前，我国PA66行业总产能为118.9万吨，行业集中度较高（图2），CR8指数达到95.88%。主要产能集中于上海英威达、神马尼龙化工和华峰化学三家企业，产能分别为40万吨、26万吨和23万吨。当前国内PA66市场已趋于饱和，呈现供过于求的状态，下游需求相对疲软，行业开工率长期低于70%，持续处于较低水平。

未来，随着机器人3D打印技术的进一步推广以及工程塑料在机器人零部件中应用比例的提升，PA66有望迎来新一波需求的快速增长。

◆ 聚苯硫醚（PPS）：兼具性价比的机器人骨架轻量化材料
在机器人制造领域，PPS凭借其优异的耐热性、耐腐蚀性以及低密度特性，广泛应用于机器人骨架和连接件中，能够显著减轻整体结构重量（表1）。此外，PPS还具备良好的绝缘性能、高介电强度以及较低的综合成本，这些优势也使其成为一种重要的机器人结构材料。

与PEEK材料相比，PPS在机器人应用中展现出多方面的潜在优势。PPS材料的国产化程度较高，综合生产成本和市场价格略低于PEEK，同时在机械强度与耐腐蚀性能方面表现相当，在实现机器人骨架轻量化方面同样效果优异。因此，PPS未来有望成为机器人骨架材料中PEEK的有力竞争对手。

我国对PPS的研究与产业化起步稍晚于国外。目前国内PPS行业的领军企业是新和成，年产能达22000吨，也是国内唯一能够稳定生产纤维级、注塑级、挤出级和涂料级PPS的企业。

◆ 液晶聚合物（LCP）：机器人核心零部件的主要材料
在机器人材料领域，LCP（液晶聚合物）因其卓越的耐高温性能和尺寸稳定性，被广泛应用于机器人伺服电机连接器中，成为多种精密电子元件的理想选择。人形机器人的上游核心硬件主要包括伺服电机、减速器、控制器和传感器等，这些部分合计约占整机成本的70%。与普通工业机器人或服务型机器人相比，人形机器人在结构设计、硬件组成、控制算法、性能要求及零部件选型等方面均存在显著差异。例如，一般工业机器人的关节轴数通常在2-10个之间，而人形机器人的关节数量预计将超过40个（如特斯拉Optimus拥有40个关节），每个关节均需配备一台伺服电机，因此伺服电机已成为人形机器人的核心零部件之一。在这一背景下，LCP材料在人形机器人中的应用预计将逐步扩大，相关行业需求也有望实现较快增长。

目前，全球LCP产能主要集中在美国和日本（表2）。自20世纪80年代以来，两国企业便已实现LCP材料的规模化生产。当前全球主要LCP生产商包括美国塞拉尼斯、日本宝理塑料和日本住友化学，其现有产能分别为2.2万吨、2万吨和1.1万吨。我国LCP产业发展相对较晚，长期依赖从美日等国进口。但近年来，随着金发科技、沃特股份、普利特等企业陆续投产LCP材料，国内产能已显著提升。此外，多项在建产能正在积极推进，中国LCP产业的整体规模正逐步接近国际领先水平。

◆ 热塑性弹性体（TPE）：性能独特的第三代橡胶材料
在机器人材料中，TPE相比于普通的橡胶及树脂材料而言，主要的优势包括：可调硬度；具有良好的耐寒性、脆点较低；更好的耐腐蚀性；易于加工成型；环保性、可被回收利用；触感可调；安全性，通常不含有毒有害物质；价格较硅胶类更便宜。由于轻量化、可回收以及触感可调等这些独特的性质，使得TPE材料更适合用于仿生机器人的外壳和手臂，在保持弹性的同时，TPE材料展示了卓越的医用安全性和加工便利性，使其成为现代机器人的热门选择。

◆ 超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）：强度极高的高性能纤维材料
超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维是当前已实现工业化生产的高性能纤维中比强度和比模量最高的一种。它由分子量超过100万的聚乙烯树脂纺制而成（普通聚乙烯分子量通常介于4万至12万之间），其断裂伸长率高于碳纤维和芳纶，具备优良的柔韧性，即使在高应变率或低温环境下仍能保持良好的力学性能，抗冲击能力也优于碳纤维和芳纶等材料。

UHMW-PE的比强度可达优质钢材的15倍，是玻璃和尼龙66的4倍，碳纤维的2.6倍，以及芳纶纤维的1.7倍。该材料集超高强度、低密度、耐磨损、耐低温、耐紫外线、抗屏蔽、柔韧性好以及耐强酸强碱腐蚀等优异性能于一身，因此被广泛应用于军事装备、海洋工程、安全防护、体育器材、生物医疗和航空航天等领域。

在机器人材料方面，UHMW-PE尤其适用于人形机器人手部的腱绳传导系统，为其提供高强度、耐疲劳且灵活的传动解决方案。

 

表3：国内UHMW-PE产能列表（截至2024年8月 ）

                    
截至目前，全球只有荷兰DSM、美国 Allied、日本东洋纺公司和三井公司等企业拥有UHMW-PE专利技术并形成规模化生产（表3）。而我国经过多年的研发和改进，2013年扬子石化研究院开始了锂电池隔膜UHMW-PE 专用料的工业化研发，并于2017年首次实现UHMW-PE隔膜专用料的工业化试生产，打破该产品完全依靠进口的局面。 

 

碳纤维：机器人轻量化的核心材料

碳纤维是指以腈纶和粘胶纤维为原料，经高温氧化碳化处理制成的含碳量高于90%的高强度、高模量纤维，其耐高温性能居所有化学纤维之首。该材料具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、导热导电性能良好、力学性能优异以及易于加工和设计灵活等特点。凭借轻便而坚固的特性，碳纤维复合材料被广泛应用于机械臂制造中，可将机械手臂的总质量控制在5-15公斤范围内。

我国碳纤维产能自2019年的2.67万吨增长至2024年的13.55万吨，年均复合增长率达38%，但产能利用率在2024年回落至44%。总产量在2022年之前保持高速增长，从2019年的1.2万吨提升至2022年的4.8万吨；自2023年起增速有所放缓，2024年总产量同比增长8%，达到5.9万吨。从行业格局来看，吉林化纤和中复神鹰在规模上占据明显优势。根据百川盈孚数据，2024年两家企业的产能市占率分别为24%和21%。

 

电子皮肤：实现机器人的感知交互能力

电子皮肤通常由电极、介电材料、活性功能层以及柔性基材等部分构成。其中，柔性基材的选择对其性能具有重要影响，它不仅作为电子皮肤的支撑载体，还确保其与生物皮肤或其他材料之间的良好兼容性。

具备理想柔韧性、弹性与力学强度的基底材料，能够为柔性机器人的压敏皮肤提供可靠的承载和衬垫支撑。新型柔性高分子薄膜材料正逐渐成为满足此类需求的理想选择。这类材料超薄透明、柔韧耐冲击，能够有效抵抗力学破坏，因此被广泛应用于柔性传感电路的集成中作为衬底。

常用的基底材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）和聚酯（PET）等高分子薄膜。其中，PDMS生物相容性优异且透明度高，适用于制造柔性衬垫；PI则具备卓越的耐高低温性能（-269℃至400℃）和电气绝缘性，尤其适合高精度传感电路的集成应用。 

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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