人形机器人材料需求系列报告之一：人形机器人轻量化迈向“镁”好

人形机器人快速迭代，轻量化大势所趋。人形机器人早期发展可追溯至1960-90年代，技术进步提升了机器人的认知能力，使其能够独立、稳定地执行复杂动作，加之AI的快速发展，机器人大脑智能化程度大幅提升。人形机器人由感知、决策、控制、执行四大模块构成，其中执行模块在控制器的指挥下驱动机器人的肢体运动，类似于人的肌肉。人形机器人以能够像人类一样执行大部分动作为目标，因此对其灵活性要求较高。轻量化设计可以减少机器人各部件的重量，从而降低驱动系统所需的力矩和功率，能够发挥出更大的承载力，轻量化将有助于机器人降低功耗、延长寿命等，对机器人性能及商业化落地至关重要。 镁是轻量化理想材料，在机器人中应用逐渐打开。镁的价格优势凸显：常见的轻量化材料包括铝、镁、PEEK材料等，镁同另外两类材料相比，价格优势已经凸显，镁铝比常年落在1.1到1.3之间，截至2025年1月17日，镁铝比为0.877，低于合理区间，而PEEK材料价格远远高于铝镁。镁的性能更加优秀：镁的密度更低，同体积比铝合金重量减少三分之一，此前在汽车上的应用已快速打开，其作为轻量化材料，在减震性能和散热性能方面更为优秀，亦十分契合机器人的功能诉求。当前镁合金牌号或可应用于机器人壳体等部件，如AD91D镁合金密度只有 1.7kg/m3 ，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金钢，比刚度接近铝合金钢，能够承受一定的负荷，具有良好的铸造性和尺寸稳定性以及良好的阻尼系数，减震量大于铝合金和铸铁。镁金属在机器人中的应用逐渐打开，提升了机器人的性能：宝武镁业和埃斯顿机器人率先推出镁合金工业机器人新品“ER4-550-MI”，不仅提升了5%的节拍速度，在减震、电磁屏蔽和散热方面表现卓越，从而增强了稳定性。同时能耗降低了10%，显著提高了运行效率。 机器人应用有望拉动镁用量大幅提升。工业机器人正在快速发展，2023年全球工业机器人装机量已经达到54万台，与2015年25万台相比，增长了116%。而我国的增速明显更快，国家统计局数据显示，我国2024年工业机器人产量达到了53万台/套，同比增长40%。我们测算了宝武镁业推出的镁合金机器人镁用量为4.97千克左右，并将其作为工业机器人平均单机用量，测算当前完全用镁替代情况下工业机器人或能拉动2683吨镁消费量，未来若在更大尺寸等机器人型号上运用，远期对镁合金的拉动或能达到万吨以上。人形机器人量产在即，我们测算电机外壳及身体部分外壳或可拉动13.7千克/台（套）镁金属用量，以100万套出货量计算，人形机器人远期将拉动1.37万吨镁金属消费量。 若未来在机器人其他同样实现镁金属替代，则有望进一步拉动对镁合金用量。 投资建议：基于机器人对镁合金材料潜在的需求拉动，我们推荐宝武镁业、同时也建议关注星源卓镁，万丰奥威、旭升集团、爱柯迪、丰华股份等镁合金产业链公司。 风险提示：人形机器人放量不及预期，材料应用不及预期，原材料价格波动风险等。 重点公司盈利预测、估值与评级 1人形机器人快速迭代，轻量化大势所趋 1.1人形机器人进入快速发展期 AI助力智能化速度快速提升，人形机器人进入快速发展期。根据国际标准化定义，机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，人们针对机器人提出了两个具有代表性的定义，一是森政弘与合田周平提出的：机器人是一种具有自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性10个特征的柔性机器。二是加藤一郎提出的，具有如下三个条件的机器可称为机器人： ①具有脑、手、脚等三要素的个体；②具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；③具有平衡觉和固有觉的传感器。从广义上来看，机器人也并非都具备类似人的外貌和形态特征，事实上早期的机器人大多是以机械臂等形式存在，经过了百年的发展历史，才出现了现阶段的人形机器人。人形机器人的发展历程主要分为几个阶段，初始阶段是1960-90年代，主要重点是实现双足行走功能和建立基本的控制水平，其次是高度集成系统阶段（21世纪初），机器人通过整合感知和智能控制技术具备了基本的感知系统，并且能够根据感知输入做出简单判断并调整动作，实现更流畅和连续的运动，接着就是突破性进展阶段（2010年至今），控制理论和技术的进步提升了机器人的认知能力，使其能够独立、稳定地执行复杂动作，近几年AI的快速发展，人形机器人搭载生成式AI，机器人大脑智能化程度大幅提升。 图1：机器人发展历史 人形机器人由感知、决策、控制、执行四大模块构成。感知模块是人形机器人的信息采集中心，负责采集外部信息并将其处理成可被机器学习的内容，关键组件为视觉、触觉、听觉等传感器；决策模块是人形机器人的大脑，承担对所得信息进行运算并做出决策的核心任务，关键组件为芯片与人工智能算法；控制模块是人形机器人运动的指挥中心，类似于人的小脑，从决策模块获取数据并控制驱动器的动作，关键组件为控制器；执行模块在控制器的指挥下驱动机器人的肢体运动，类似于人的肌肉，关键组件为伺服电机、减速器、丝杠等。人形机器人硬件结构除了四大模块核心零部件之外，还有外骨骼躯干和能源电池等结构。 图2：人形机器人结构 人形机器人成本结构中三大核心零部件包括减速器、伺服系统和控制器，成本合计占比超70%。拆分人形机器人成本结构，精密减速器在一定程度上决定人形机器人的精度和负载，是人形机器人核心零部件之一，占人形机器人成本约36%，伺服系统是人形机器人在执行中对机器人的位置、速度和加速度控制的核心功能部件，占人形机器人成本约24%，控制系统主要负责对机器人的运动轨迹进行规划，从而给各个部位下达相应的动作指令，占人形机器人成本约12%，机器人本体及其他包括传感器、躯干、电池等成本合计占比约28%。 图3：人形机器人成本结构 特斯拉人形机器人Optimus Gen2重量减轻10千克，机动性更强，呈现轻量化趋势。在2021年8月的Tesla AI Day活动中，埃隆·马斯克首次正式宣布了Tesla人形机器人——Optimus的概念；2022年9月，在Tesla AI Day 2022上，特斯拉展示了人形机器人Optimus的首个实际工作原型，其身高173cm ，体重73千克。2023年12月，Tesla发布了人形机器人Optimus的第二代产品，其较Gen1体重轻了约10公斤，步行速度提升30%，并配备了更先进的电机和传感器系统，使其在精确运动和环境感知方面表现更优。 图4：Tesla人形机器人Optimus迭代历程 1.2轻量化大势所趋，对机器人性能及商业化落地至关重要 人形机器人快速迭代，轻量化大势所趋。从机器人发展历程看，呈现出追求灵活敏捷的特征，因此必然要求机器人超轻量化、自由度增加趋势发展。不仅特斯拉的产品如此，其他龙头公司的机器人在迭代过程中也呈现出相同的特征。优必选的Walker X相对Walker（第二代）质量减轻14kg，同时自由度由32增至37。宇树科技的新一代人形机器人G1（入门版）体重相对H1减轻12kg，同时自由度明显增加，保证了产品达到更加轻巧灵活的性能。 表1：龙头公司人形机器人不同代际产品技术参数 图5：优必选（Walker X，左）和宇树科技（G1，右）新一代人形机器人产品 轻量化可以提高人形机器人的机动性和灵活性。人形机器人以能够像人类一样执行大部分动作为目标，因此对其灵活性要求较高。轻量化设计可以减少机器人各部件的重量，从而降低驱动系统所需的力矩和功率，较轻的部件更容易被驱动和控制，相同的电机在驱动更轻的本体时，能够发挥出更大的承载力，使机器人在执行复杂动作时更加灵活和精准。以特斯拉的人形机器人为例，第二代产品Optimus Gen 2相对第一代整体重量从73kg减少到63kg，速度提升30%，同时手指等部件灵活性大幅提升。2024年12月20日，在世界智能制造大会上，宝武镁业联合埃斯顿推出镁合金机器人新品“ER4-550-MI”，该款机器人采用材质较轻的镁合金材料替代铝合金，同类型部件减重约33%，整机减重11%，从而使节拍速度提高5%，部件响应速度更敏捷高效。 图6：Tesla发布的第二代Optimus 轻量化可以降低能耗，延长续航时间。在目前的电池能量密度下，人形机器人可携带的电量有限，续航时长普遍在2小时左右。轻量化可以降低运动过程中的惯性力，减少对驱动系统的负担，从而降低系统能耗，延长续航时间。宝武镁业和埃斯顿联合推出的镁合金机器人新品“ER4-550-MI”实现减重11%，整机能量损耗降低10%，使得相同电量下机器人能够工作更长时间和执行更多动作，避免频繁充电带来使用的不便。 图7：宝武镁业与埃斯顿合作推出镁合金机器人 轻量化有助于延长寿命，降低全生命周期成本。从力学角度看，轻量化设计通过减轻部件质量，可以减小摩擦力和惯性力，降低零部件之间的摩擦和磨损，从而延长人形机器人的使用寿命，同时轻量化有助于降低对驱动系统和结构的压力，减少故障发生的可能性，降低运维成本。成本对新产品新技术的商业化落地和市场空间的打开至关重要，不仅包括生产成本，同时包括投入使用后的运维成本在内的全生命周期成本。 人形机器人轻量化的途径包括材料的轻量化和结构优化法。人形机器人轻量化是复杂的系统性工程，目前主流的路径包括零部件材料的轻量化和结构优化两大路径。材料轻量化指采用密度低、质量更轻的零部件来降低自重，因此对材料的强度等力学性能提出了更高的要求。结构优化法在汽车轴承、RV减速器、丝杠及工业机器人等领域均有成功的应用案例，可在保证性能情况下大幅减轻质量，结构优化法可再细分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。两种路径各具特色，缺一不可。 2镁是轻量化理想材料，机器人领域前景广阔 2.1镁：轻量化首选材料，优势凸显 常见的轻量化材料主要有三种：铝、镁、聚醚醚酮（PEEK）和碳纤维材料，铝和镁在价格上具有竞争优势。在汽车轻量化的应用中，目前铝的渗透率最高，根据阿拉丁测算，2024年新能源车单车用铝量已经达到218.88kg/辆，传统燃油车的单车用铝量也在逐步升高，到2025年约180.04kg/辆。相比于铝，镁和PEEK材料的减重会更加明显，但两者的缺点主要是成本较铝更高，近两年随着镁价回落，压铸技术提升，镁的汽车应用场景大幅扩张，后续有望成为人形机器人的机身材料。 PEEK是一种高温热塑性材料，具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、自润滑等特性，广泛应用于电子、汽车、航空航天、军工和医疗等领域。PEEK材料最早由英国帝国化学公司于1978年开发出来，自问世后很长一段时间作为一种重要的战略国防军工材料被巴黎统筹委员会（COCOM组织）列为战略物资并实施严格的封锁和禁运。我国自主研发起步较晚，但发展迅速，国内产能持续爬升，中研股份已发展成为全球第四家PEEK年产能达到千吨级的企业。 从性能来看，碳纤增强的PEEK复合材料机械强度较高、密度较低。从密度来看，碳纤增强PEEK继承了碳纤维和PEEK轻量化的优势，在三种轻量化材料中密度最低，镁合金比PEEK复合材料稍高，铝合金则较重，比镁合金重50%。从机械强度来看，纯PEEK材料机械强度较低，但通过碳纤增强后，机械强度有明显提升，甚至强于传统材料钢铁，而镁合金和铝合金机械强度弱于钢铁，铝合金在抗拉强度上略有优势。尽管在机械强度和密度上占据优势，碳纤增强PEEK复合材料在熔点上仍有不足，虽然在塑料制品中属于耐高温的种类，但与金属材料相比熔点较低，难以应用在350度以上的高温环境下。 表2：轻量化材料与传统材料的参数对比 PEEK价格仍然偏高，应用扩展有待进一步降本。PEEK材料的价格目前仍处于高位，全球龙头英国威格斯售价在50万/吨以上，国产中研售价也在30万吨以上。国产价格具备一定优势，但与镁、铝等金属材料相比，仍高出10倍以上，不利于人形机器人的整体降本，后续的应用扩展还有待成本进一步下行。 图8：不同轻量化材料的价格对比 当前镁性价比凸显。根据镁铝的密度关系，镁的密度比铝小1