AI赋能人形机器人，PEEK及碳纤维或迎新增长极

AI赋能人形机器人，或开启产业化元年 2023年12月，特斯拉发布人形机器人OptimusGen2，相较于前代行走速度提高30%，重量减轻10kg；2024年3月，全球首个OpenAI大模型加持下的机器人Figure01发布，可实现与人类的对话和互动；AI大模型的快速发展，推动人形机器人技术发展持续进步。AI赋能人形机器人，行业产业化加快。国内来看，政策持续重磅支持，行业投融资金额亦呈上升趋势。 据Markets and Markets预测，2023年全球人形机器人市场规模为18亿美元，2028年预计将达到138亿美元，CAGR达50.2%。以生产数量来看，按照单台2万美元（约14万人民币）测算，预计2028年全球将出货69万台；以我国农民工（替代10%）及建筑业从业人数（替代80%）两个维度来看，预计对应出货量为3000及4000万台，市场规模或达4.2及5.6万亿。 碳纤维轻质高强，提升机器人安全性及工作效率 人形机器人轻量化后，能提高机动性和工作效率，减轻运动惯性，进而提高机器人安全性。由于碳纤维轻质高强，国内外在仿生骨骼领域已多次应用到碳纤维，例如康复外骨骼机器人EksoNR、可穿戴式机器人Assist Suite AWN-03等，国内机构相关产品证明使用碳纤维复合材料制作的机械臂整体质量较铝合金减轻30%，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。 PEEK国产替代趋势明显，特斯拉机器人应用PEEK带来新需求 2022年全球/我国PEEK消费量约为7556/2334吨，预计2027年达到12929/4358吨，CAGR+11.38%/+13.30%。供给端来看，2022年全球总产能1.6万吨，前三大生产企业占据全球产能的80%，且均为外企；国内2022年产能6050吨，2023年产能有望增至6950吨（增量为沃特股份项目投产），整体看，PEEK行业整体呈现供大于求，国产替代趋势明显。 Optimus-Gen2成功应用PEEK材料，减轻重量10kg，行走速度提升30%，后续若成功量产，或有效拉动PEEK需求增长。 CF/PEEK或是人形机器人的核心材料，PEEK需求弹性更大 碳纤维增强PEEK复合材料（CF/PEEK），指碳纤维以粉末、颗粒、连续纤维（长纤维）或者织物形式增强PEEK树脂基的复合材料，在减重的同时具有更好的热塑性和更高的强度。目前CF/PEEK生产技术由日本东丽、英国威格斯等少数公司掌握，国内主要依靠进口。CF/PEEK主要应用于机械臂，据我们测算：1）参考机器人生产数量（预计2028年全球出货69万台），对应碳纤维/PEEK需求为3795/3105吨；2）以替代我国农民工10%测算（预计出货3000万台），对应碳纤维/PEEK需求为16.5/13.5万吨； 3）以替代我国建筑业人数80%（预计出货4000万台），对应碳纤维/PEEK需求为22/18万吨。参考2022年碳纤维/peek需求为135000/7560吨，我们认为人形机器人的量产对于PEEK行业需求弹性拉动较大。 相关标的梳理 碳纤维相关企业：光威复材（产品涵盖军工及民用纤维，复材等）、吉林碳谷（大丝束原丝）、中复神鹰（高性能纤维）、恒神股份（碳纤维全产业链）等；PEEK相关企业：中研股份（国内PEEK产量最大）、沃特股份（PEEK及PEKK均有涉及）、凯盛新材（PEKK生产企业）、新瀚新材（PEEK原料氟酮生产商）等。 风险提示：人形机器人量产进度不及预期，碳纤维及PEEK价格下降，碳纤维及PEEK产能扩张超预期，人形机器人采用其他材料等 重点标的推荐 1.AI赋能人形机器人，或开启产业化元年 从去年以来AI大模型的快速发展，推动人形机器人技术发展持续进步。2023年12月，特斯拉发布人形机器人OptimusGen2。相较于第一代，第二代Optimus新增了2自由度驱动的颈部，行走速度提高30%，重量减轻10kg，11自由度的全新手部等，在感知、运动与控制方面均具备多项亮点。 2024年3月，美国明星机器人创业公司Figure发布了全球首个OpenAI大模型加持下的机器人Figure01。借助OpenAI，在没有任何远程操作的情况，Figure01可以实现端到端神经网络框架下与人类的对话和互动，在这个过程中，OpenAI模型提供高级视觉和语言智能，图形神经网络提供快速、低级、灵巧的机器人动作。 图1：OptimusGen2 图2：Figure01 巨头入局，带动国内外众多企业入场人形机器人行业。从投融资事件数量来看，2017-2023年8月，我国人形机器人行业总共发生了27起融资事件，投融资活跃度呈波动态势，于2018年达最高峰。从投融资金额来看，2017年-2022年，我国人形机器人行业投融资金额呈上升趋势，在2022年达新高峰，为7.5亿元。人形机器人行业的发展迎来投资热潮。 表1：2017-2023年中国人形机器人行业投融资事件汇总融资方融资方主要产品或业务 国家政策重磅支持，助力人形机器人迎来产业东风。2023年11月2日，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，提出到2025年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体”等一批关键技术取得突破，确保核心部组件安全有效供给。 到2027年，人形机器人技术创新能力显著提升，形成安全可靠的产业链供应链体系，构建具有国际竞争力的产业生态，综合实力达到世界先进水平。在此之前，为进一步鼓励机器人行业发展，实现产业结构调整和产业升级，国家先后出台了一系列促进机器人行业发展的政策。 表2：2016-2024年中国机器人相关产业政策时间部门文件2016年4月工信部 、 发 人形机器人应用领域广泛，市场规模迅速扩张。人形机器人下游应用领域涵盖建筑、教育、娱乐、医疗保健、航空航天等，十分广泛。根据Markets and Markets预测，2023年全球人形机器人市场规模为18亿美元，而到2028年预计市场规模将达到138亿美元，CAGR达50.2%。分类别来看，教育和娱乐领域复合年增长速率最快，医疗保健领域则将拥有最大市场份额。分地区来看，未来北美/欧洲/亚太地区市场份额约占34%/29%/34%，合计占比达98%。以供给来看，日本、中国将是人形机器人制造重地。 图3：全球人形机器人市场规模（亿美元） 量产在即，降本后或有较大市场规模。马斯克表示，Optimus人形机器人最终价格可能低于2万美元，预计3-5年内量产，一旦人形机器人产业链成熟，未来量产数量可能将达到100-200亿台，超过地球人口的数倍。2万美元（约14万人民币）的售价或将拓展多个应用场景，以我国举例，2022年，全国农民工总量达2.9562亿人，若替代10%，市场规模近6000亿美元（对应3000万台），仅建筑领域，2023年从业人数5253.75万人，农民工近80%，若农民工全部替代则有4000万台市场空间。以Markets and Markets的2028年市场规模预测来简单测算，对应人形机器人将有69万台。 表3：人形机器人市场规模测算测算维度 2.碳纤维和PEEK是机器人轻量化核心材料 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： （1）强度高：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。 （2）较大的弹性模量和弹性极限：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。 （3）较大的震动阻尼：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。 （4）轻量化：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。 2.1.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。 表4：几种常见结构材料的力学性能材料密度/[g/cm3]钢 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（EksoBionic）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“AssistSuite”，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。 图4：康复外骨骼机器人/步态EksoNR 图5：松下“Assist Suite AWN-03” （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。 图6：碳纤维机械臂工艺流程 图7：KinovaGen2机械臂 2.2.特斯拉最新一代机器人采用PEEK减重的同时，性能进一步提升 2.2.1.聚醚醚酮（PEEK）以其优异的性能在中高端领域逐步替换金属材料 聚醚醚酮（PEEK）是一种具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、自润滑等优异性能的特种工程塑料，适用于人形机器人、新能源汽车、医疗器械等对轻量化要求较高的