一、輕量化的戰(zhàn)略意義：從性能瓶頸到商業(yè)化突破

人形機(jī)器人的輕量化并非簡(jiǎn)單的“減重”，而是一項(xiàng)貫穿設(shè)計(jì)、材料與制造全鏈條的系統(tǒng)性工程，其核心價(jià)值在于突破當(dāng)前制約其發(fā)展的三大核心瓶頸：

1. 解決續(xù)航與能耗瓶頸，奠定實(shí)用基礎(chǔ)
當(dāng)前人形機(jī)器人普遍面臨續(xù)航時(shí)間短（通常僅2小時(shí)）的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。輕量化通過(guò)降低整體質(zhì)量，直接減少了運(yùn)動(dòng)所需克服的慣性和重力勢(shì)能，從而顯著降低基礎(chǔ)能耗。實(shí)踐案例表明，減重40%后續(xù)航可從2小時(shí)大幅提升至6小時(shí)，這為機(jī)器人在真實(shí)場(chǎng)景中持續(xù)工作提供了可能性。

2. 優(yōu)化運(yùn)動(dòng)性能與可靠性，提升能力上限
過(guò)重的自重（如早期原型機(jī)達(dá)73kg）會(huì)直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度。輕量化后，關(guān)節(jié)和連桿慣性減小，能夠更快速啟動(dòng)、停止和改變方向。同時(shí)，輕量化顯著降低關(guān)節(jié)電機(jī)、減速器等核心零部件的負(fù)載，有效緩解電機(jī)發(fā)熱、零部件磨損等問題，提升可靠性與使用壽命。

3. 增強(qiáng)安全性與場(chǎng)景適應(yīng)性，打通商業(yè)化“最后一公里”
在家庭、辦公室等需要與人緊密交互的場(chǎng)景中，過(guò)重的機(jī)器人如若發(fā)生意外跌倒或碰撞，將構(gòu)成嚴(yán)重安全隱患。輕量化設(shè)計(jì)能極大降低此類風(fēng)險(xiǎn)，使機(jī)器人更容易被用戶接受和信任。此外，較輕的體重也使機(jī)器人的搬運(yùn)、部署更為便捷，提升了應(yīng)用便利性和普及潛力。

 

二、輕量化技術(shù)路徑：三位一體的系統(tǒng)優(yōu)化

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：從參數(shù)調(diào)整到仿生設(shè)計(jì)

1. 參數(shù)優(yōu)化：最直接的輕量化方式，通過(guò)調(diào)整零部件尺寸、布局和材料厚度，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)去除冗余結(jié)構(gòu)。例如，上海半醒機(jī)器人隊(duì)的“精靈”機(jī)器人（32kg）通過(guò)腿部低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)減少硬件負(fù)擔(dān)。

2. 拓?fù)鋬?yōu)化：利用算法在給定設(shè)計(jì)空間內(nèi)優(yōu)化材料分布，形成類似骨骼的有機(jī)形態(tài)。典型案例：

天工Ultra機(jī)器人：在腿部連桿等多處承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性減重

波士頓動(dòng)力Atlas：采用拓?fù)鋬?yōu)化的CFRP關(guān)節(jié)支架，重量較鋁合金減輕45%，彎曲模量達(dá)230GPa，支撐跳躍時(shí)10倍自重沖擊載荷

3. 集成化設(shè)計(jì)：借鑒新能源汽車經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)用與簡(jiǎn)化：

關(guān)節(jié)模組集成化：將伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速器、編碼器等集成為一體化關(guān)節(jié)模組，減少連接件使用

結(jié)構(gòu)件一體化壓鑄：類似汽車領(lǐng)域，通過(guò)減少零件數(shù)量、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)減重

當(dāng)前挑戰(zhàn)：技術(shù)路徑尚未完全收斂，且企業(yè)跨界設(shè)計(jì)能力有限。本體廠商多為初創(chuàng)企業(yè)，相關(guān)人才資源投入不足，而零部件廠商對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)涉足較少。

（二）材料替代：從“以鋼為主”到多元材料體系

材料輕量化的核心邏輯是采用密度更低的輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)金屬。當(dāng)前形成四大材料陣營(yíng)：

材料類別

密度(g/cm³)

比強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)

典型應(yīng)用

成本狀況

鎂合金

1.7-1.8

比強(qiáng)度與鋁相當(dāng)，減震性能優(yōu)

關(guān)節(jié)殼體、外殼、骨骼

性價(jià)比凸顯（鎂鋁價(jià)格比0.87）

PEEK

1.3

比強(qiáng)度達(dá)鋁的8倍

諧波減速器剛輪、六維力傳感器

較高（約30萬(wàn)元/噸）

尼龍

1.15-1.2

剛性-韌性平衡

外殼、傳動(dòng)部件、3D打印件

經(jīng)濟(jì)性好，產(chǎn)業(yè)鏈成熟

碳纖維

1.5-1.6

比強(qiáng)度極高（抗拉強(qiáng)度>3500MPa）

骨架、機(jī)械臂、關(guān)節(jié)支架

高昂，多用于高端產(chǎn)品

材料演進(jìn)趨勢(shì)：從單一鋁合金向多元化材料體系發(fā)展，鎂合金和工程塑料因綜合性價(jià)比成為近期主流選擇，碳纖維在高端應(yīng)用場(chǎng)景中逐步滲透。

（三）工藝創(chuàng)新：從傳統(tǒng)制造到精密成型

1. 半固態(tài)注射成型（Thixomolding）：針對(duì)鎂合金，將顆粒加熱至半固態(tài)后注射成型，解決傳統(tǒng)壓鑄易產(chǎn)生氣孔、縮松等問題。晶粒尺寸可細(xì)化至50-100μm，抗拉強(qiáng)度提升10%-20%。

2. 精密注塑：適用于PEEK、尼龍等工程塑料，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效生產(chǎn)，材料利用率達(dá)95%以上。

3. 金屬注射成型（MIM）：適合小尺寸、復(fù)雜形狀的金屬零部件，減少加工余量。

4. 3D打印/選擇性激光燒結(jié)（SLS）：法國(guó)Poppy機(jī)器人除馬達(dá)和電路外所有零件均為3D打印（聚酰胺材料），實(shí)現(xiàn)高度定制化和輕量化。

 

三、核心材料深度解析

（一）鎂合金：輕量化金屬的首選

性能優(yōu)勢(shì)矩陣：

密度優(yōu)勢(shì)：1.8g/cm³，是鋁的2/3、鋼的1/4

減震性能：阻尼系數(shù)是鋁合金的100倍，有效吸收運(yùn)動(dòng)沖擊

熱管理：導(dǎo)熱系數(shù)54W/m·K，散熱效率優(yōu)于鋁合金

電磁兼容：優(yōu)異的電磁屏蔽性能，保護(hù)精密電路

工藝成熟度：壓鑄性好，適合大批量生產(chǎn)

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展：

埃斯頓案例：與寶武鎂業(yè)聯(lián)合推出鎂合金工業(yè)機(jī)器人“ER4-550-MI”，相較于鋁合金版本減輕自重11%，能耗降低10%，節(jié)拍速度提升5%

成本拐點(diǎn)：當(dāng)前鎂鋁價(jià)格比僅0.87，遠(yuǎn)低于1.29的性價(jià)比平衡點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性顯著

產(chǎn)能布局：中國(guó)占全球鎂產(chǎn)能90%以上，寶武鎂業(yè)、云海金屬等龍頭企業(yè)年產(chǎn)能突破40萬(wàn)噸

技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案：

腐蝕問題：通過(guò)表面鈍化、電鍍、陽(yáng)極氧化等表面處理技術(shù)解決

易燃問題：采用SF6保護(hù)氣體形成致密保護(hù)膜，半固態(tài)技術(shù)提升安全性

（二）PEEK：工程塑料金字塔的皇冠

性能特性：

機(jī)械性能：拉伸強(qiáng)度90-100MPa，接近金屬性能

耐溫性：連續(xù)使用溫度260℃，短期耐溫超300℃

耐磨性：摩擦系數(shù)0.1-0.2，自潤(rùn)滑特性延長(zhǎng)部件壽命

化學(xué)穩(wěn)定性：耐大多數(shù)酸、堿、有機(jī)溶劑

電性能：介電強(qiáng)度24kV/mm，UL94 V-0級(jí)阻燃

應(yīng)用突破：

諧波減速器剛輪：科盟創(chuàng)新開發(fā)的PEEK復(fù)合材料諧波減速器，整體重量較金屬版減輕61%，扭矩/重量比提升74%

六維力傳感器：采用PEEK彈性體，應(yīng)變靈敏度達(dá)鋁合金的30倍，100Hz動(dòng)態(tài)響應(yīng)下誤差低于0.1%

關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)：使關(guān)節(jié)壽命延長(zhǎng)至2萬(wàn)小時(shí)免維護(hù)運(yùn)行

產(chǎn)業(yè)鏈壁壘：

原料壁壘：核心原料DFBP占成本50%以上，全球產(chǎn)能集中在中國(guó)新瀚新材、中欣氟材等少數(shù)企業(yè)

聚合工藝：需在280-340℃高溫下反應(yīng)8-12小時(shí)，5000L大型反應(yīng)釜技術(shù)僅威格斯、中研股份等掌握

驗(yàn)證周期：從材料測(cè)試到終端驗(yàn)證通常需要3-5年

市場(chǎng)前景：?jiǎn)闻_(tái)人形機(jī)器人PEEK用量約6.5-8kg，若2027年全球產(chǎn)量達(dá)500萬(wàn)臺(tái)，對(duì)應(yīng)材料需求超3萬(wàn)噸，市場(chǎng)規(guī)模突破150億元。

（三）尼龍：均衡性能與經(jīng)濟(jì)性的選擇

材料譜系與應(yīng)用：

PA6（尼龍6）：抗沖擊性和柔韌性優(yōu)，適用于外殼、非承重結(jié)構(gòu)件

PA66（尼龍66）：更高剛性、強(qiáng)度和耐熱性，適用于承力部件及精密傳動(dòng)系統(tǒng)

改性技術(shù)拓展性能邊界：

碳纖維增強(qiáng)PA12（PA12-CF30）：低摩擦系數(shù)，用于協(xié)作機(jī)器人諧波減速器剛輪

玻璃纖維增強(qiáng)PA66（PA66-GF50）：減重60%同時(shí)保持0.5μm/300mm運(yùn)動(dòng)精度

創(chuàng)新應(yīng)用案例：

1X Technologies的Neo Gamma：外殼采用編織尼龍，提升人機(jī)交互安全性

特斯拉Optimus：尼龍復(fù)合材料占40個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)件的60%，大腿連接件使用35%玻纖增強(qiáng)PA66，在承受2000N載荷時(shí)實(shí)現(xiàn)30%減重

3D打印應(yīng)用：選擇性激光燒結(jié)尼龍粉末，制造具有復(fù)雜內(nèi)部流道的定制化部件

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：中國(guó)尼龍6產(chǎn)能達(dá)725萬(wàn)噸/年，主要企業(yè)包括福建恒申、浙江聚合順等；尼龍66隨著己二腈國(guó)產(chǎn)化，產(chǎn)能快速擴(kuò)張至129萬(wàn)噸/年。

（四）碳纖維：極致性能的代表

性能極限：

密度：鋼的1/4、鋁合金的1/2

抗拉強(qiáng)度：3500MPa以上

比強(qiáng)度：比鋼大16倍，比鋁合金大12倍

耐溫性：非氧化氣氛下可耐2000℃

應(yīng)用現(xiàn)狀：

波士頓動(dòng)力Atlas：碳纖維關(guān)節(jié)支架減重45%

具身天工Ultra：碳纖維骨架助力創(chuàng)造人形機(jī)器人百米賽跑紀(jì)錄

機(jī)械臂應(yīng)用：減輕重量同時(shí)降低末端振動(dòng)，提升操作精度

制約因素：高昂的全鏈路成本（材料+制備+加工），在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化階段限制了大規(guī)模應(yīng)用。

 

四、核心部件輕量化突破

（一）關(guān)節(jié)模組：占整機(jī)重量40%的減重核心

1. 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)+諧波減速器+傳感器+編碼器）：

諧波減速器輕量化：剛輪采用PEEK替代金屬，減重70%以上

電機(jī)輕量化本質(zhì)：核心在于磁路優(yōu)化而非簡(jiǎn)單“以塑代鋼”

磁材升級(jí)：采用釹鐵硼“永磁王”

磁路設(shè)計(jì)：FEA優(yōu)化結(jié)合分布式分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：碳纖維綁扎技術(shù)等創(chuàng)新工藝

2. 直線驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)+行星滾柱絲杠+傳感器+編碼器）：

PEEK材料應(yīng)用：特斯拉Optimus Gen3的行星滾柱絲杠螺母采用玻纖增強(qiáng)PEEK，減重40%同時(shí)保持90%傳動(dòng)效率

工藝挑戰(zhàn)：需在380-400℃高溫下精密注塑，設(shè)備精度要求極高

3. 一體化集成趨勢(shì)：

天鏈機(jī)器人：推出扭矩密度450Nm/kg的超輕量一體化關(guān)節(jié)，重量減輕50%，體積減小50%

宇樹科技Unitree G1：自研微型伺服電機(jī)與碳纖維-鋁合金復(fù)合關(guān)節(jié)，整機(jī)重量?jī)H35kg

（二）結(jié)構(gòu)件：占整機(jī)重量10%～20%的系統(tǒng)組件

材料應(yīng)用梯度：

鎂合金：短期最經(jīng)濟(jì)選擇，減震性和電磁屏蔽性能優(yōu)異

高性能尼龍：均衡安全性、耐磨性和成本

碳纖維復(fù)合材料：追求極致性能時(shí)的選擇，需權(quán)衡成本

設(shè)計(jì)創(chuàng)新：

仿生結(jié)構(gòu)：特斯拉Optimus膝關(guān)節(jié)模仿人類膝蓋骨四連桿結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化：根據(jù)受力狀態(tài)優(yōu)化材料分布

模塊化設(shè)計(jì)：便于維修和升級(jí)

人形機(jī)器人輕量化：路徑、材料與核心部件的深度剖析

 

五、市場(chǎng)前景與產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏

（一）材料市場(chǎng)空間

PEEK材料：

2024年全球市場(chǎng)空間61億元，中國(guó)市場(chǎng)19億元

預(yù)計(jì)2027年全球市場(chǎng)達(dá)85億元，24-27年CAGR 11.38%

人形機(jī)器人量產(chǎn)將催生百億級(jí)新增市場(chǎng)

尼龍市場(chǎng)：

2024年全球市場(chǎng)規(guī)模326.4億美元，預(yù)計(jì)2032年達(dá)488.6億美元（CAGR 5.04%）

中國(guó)尼龍6產(chǎn)能725萬(wàn)噸/年，自給率持續(xù)提升

鎂合金：隨著價(jià)格優(yōu)勢(shì)凸顯，在人形機(jī)器人領(lǐng)域用量有望從當(dāng)前每臺(tái)2-3kg提升至12-14kg，形成萬(wàn)噸級(jí)需求。

（二）產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏預(yù)測(cè)

短期（2024-2026）：

材料端：鎂合金和高性能工程塑料（PEEK、尼龍）快速滲透

設(shè)計(jì)端：拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)優(yōu)化成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)流程

工藝端：半固態(tài)成型、精密注塑工藝成熟度提升

中期（2027-2030）：

一體關(guān)節(jié)模組成為主流

碳纖維復(fù)合材料在高端產(chǎn)品中占比提升

整機(jī)重量目標(biāo)降至35kg以下

長(zhǎng)期（2030后）：

仿生結(jié)構(gòu)與材料融合創(chuàng)新

智能化設(shè)計(jì)軟件普及

輕量化成本占比降至合理水平（目標(biāo)15%以內(nèi)）

人形機(jī)器人輕量化：路徑、材料與核心部件的深度剖析

 

六、產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)布局

1. 材料供應(yīng)商：

鎂合金：寶武鎂業(yè)、云海金屬、星源卓鎂（拓展至機(jī)器人領(lǐng)域）

PEEK：中研股份、吉林高琦（國(guó)產(chǎn)替代加速）

尼龍：神馬股份、華峰集團(tuán)、聚合順

2. 零部件企業(yè)：

旭升集團(tuán)：加快鎂合金布局，獲國(guó)外客戶電驅(qū)殼體項(xiàng)目

肇民科技：精密注塑隱形冠軍，開發(fā)多個(gè)人形機(jī)器人精密零部件

永茂泰：成立鎂合金事業(yè)部，同步開發(fā)機(jī)器人零部件

3. 整機(jī)廠商：

特斯拉：Optimus Gen2減重10kg，采用CF/PEEK復(fù)合材料

宇樹科技：Unitree G1整機(jī)重量35kg，自研輕量化關(guān)節(jié)

天工機(jī)器人：拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性減重

人形機(jī)器人輕量化：路徑、材料與核心部件的深度剖析

 

七、結(jié)論：輕量化是人形機(jī)器人商業(yè)化的關(guān)鍵路徑

人形機(jī)器人的輕量化正從單一技術(shù)突破向系統(tǒng)集成演進(jìn)，呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

1. 技術(shù)融合深化：材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、制造工藝多學(xué)科交叉，拓?fù)鋬?yōu)化與新材料應(yīng)用協(xié)同推進(jìn)。

2. 成本與性能平衡：從追求極致性能向商業(yè)化可行過(guò)渡，鎂合金和工程塑料因綜合性價(jià)比成為近期主流。

3. 設(shè)計(jì)范式變革：從傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)演進(jìn)，減少零部件數(shù)量成為重要減重途徑。

4. 產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏加速：隨著特斯拉、宇樹科技等頭部企業(yè)產(chǎn)品迭代，輕量化技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室快速走向量產(chǎn)。

輕量化技術(shù)的成熟將直接決定人形機(jī)器商業(yè)化進(jìn)程。預(yù)計(jì)到2027年，隨著輕量化技術(shù)普及和成本下降，人形機(jī)器人整機(jī)重量有望普遍降至40kg以下，續(xù)航突破8小時(shí)，為在工業(yè)、服務(wù)、家庭等場(chǎng)景的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。這一進(jìn)程不僅將催生新的材料與零部件產(chǎn)業(yè)，更將推動(dòng)機(jī)器人從“炫技”的實(shí)驗(yàn)室樣品向?qū)嵱玫耐ㄓ闷脚_(tái)跨越，開啟真正的機(jī)器人時(shí)代。

 

 

 

本文由廣州佳譽(yù)醫(yī)療器械有限公司/佛山浩揚(yáng)醫(yī)療器械有限公司聯(lián)合編輯