人形机器人行业深度报告：人形轻量化大势所趋，镁合金、“以塑代钢”是核心

报告核心观点◼人形机器人轻量化大势所趋，原材料+工艺设计为核心。轻量化可解决人形机器人续航不足、灵活度较低、散热能力差等多项问题，主要路径可分为结构优化、零部件性能提升、原材料替换三大类。其中，从特斯拉Optimus角度出发，原材料替换或为短期主流，其主要将传统铝合金、不锈钢等替换为镁合金、高性能工程塑料（PEEK、PPS）等。◼镁合金电磁屏蔽&散热效率更高，降本增效明显。镁合金优势明显：1）镁合金减重效果优于铝合金，当前镁铝原材料价格比持续维持低位，镁合金成本优势凸显；2）半固态工艺解决镁合金耐腐蚀性问题，且人形机器人零部件体积重量远低于汽车，设备壁垒更低；3）工业机器人已有应用，产品&工艺具有一定可迁移性。◼工程塑料密度极低，机械强度、韧性与稳定性优异，轻量化趋势下的塑料革命打开市场增量空间。我们重点关注了PEEK/PPS/PPA的应用，主要原因为：1）PEEK：可应用于关节轴承、减速器齿轮等，国产替代趋势明显，市场稳步增长，下游聚焦高价值应用；2）PPS：可应用与电机端盖、传感器外壳等，工业化技术成熟，产能自给率逐年提升；3）PPA：可应用于结构支架、连接器等，国内企业持续发力，逐步产业化。通过测算材料经济性，我们初步进行市场价值量排序：PEEK>PPA>PPS，人形机器人的落地有望为工程塑料将带来十亿量级市场空间。◼投资建议：关注镁合金压铸头部企业【宝武镁业】、【星源卓镁】，推荐人形机器人轻量化关节件企业【旭升集团】；关注工程塑料头部企业【肇民科技】、【沃特股份】、【中研股份】。◼风险提示：人形机器人产业化落地进程不及预期；人形机器人技术路线变更；原材料成本上涨超预期；新材料替代风险。 1.从下游整机看机器人轻量化趋势2.成本下行&技术突破为镁合金输入新动力3.高性能工程塑料掀起“以塑代钢”革命4.投资建议及风险提示 1.从下游整机看机器人轻量化趋势 ◼从下游主机厂角度出发，同系列产品轻量化趋势明显：1）优必选WalkerC在身高增加33cm的基础上将重量降低了20kg；2）天工Ultra的整机重量为55kg，较天工1.2MAX降低5kg；3）特斯拉Optimus从最初的Gen1的73kg降低至Gen2的63kg。1.1.人形机器人轻量化成为主要趋势表：人形机器人部分产品的重量迭代优必选（Walker系列）Tesla（Optimus系列）产品Walker XWalker CGen1产品图发布时间2021年2025年2022年重量63kg43kg73kg身高130cm163cm173cm数据来源：各公司官网，澎湃新闻，焉知汽车，IT之家，东吴证券研究所 天工机器人Gen2天工1.2MAX天工Ultra2023年2024年2025年63kg60kg55kg/173cm180cm ◼从新能源汽车角度出发，整车重量与续航呈负相关，此现象依然适用于机器人。与工业机器人不同，人形机器人体积更小，所搭载的电池包更小，而当前人形机器人的续航仅为2小时，无法适配大部分应用场景，因此对轻量化提出了更高的要求。卓益得人形机器人通过减重40%，将续航时间提高至6小时。◼人形机器人自重与性能挂钩，轻量化势在必行：1）过高的自重会影响人形机器人的灵活度，使其无法满足精细化场景需求；2）过高的自重会导致人形机器人关节处的电机及其余零部件的负载压力过大，使得电机发热现象严重及零部件磨损加大，进一步影响人形机器人的使用寿命。1.2.轻量化可解决人形机器人“痛点”问题图：新能源汽车重量与续航的关系数据来源：沐风机械，卓益得机器人官网，上海科技，东吴证券研究所 图：卓益得机器人 ◼人形机器人实现轻量化主要可通过结构优化、零部件替换、原材料替换三个角度出发。➢结构优化主要可通过集成化设计、仿生结构设计、去冗余设计来降低所需零部件数量。其中，主流的方案为拓扑优化，如天工Ultra在腿部连杆等多处承力结构进行材料分布优化，在不影响整机性能的情况下大幅降低自重。➢零部件替换主要通过采用更高性能的产品实现，如采用更高效率和功率密度的电机，使得其能够在较小的体积和重量下输出较大的功率，进而降低所需电机数量。➢原材料替换主要通过采用质量更轻的材料来打造人形机器人，如铝合金、镁合金、高性能工程塑料等，主要替换部位为机器人外壳、精密零部件等。其中，精密零部件的原材料更换应用较多，如科盟创新采用PEEK材料打造谐波减速器，减重61%。1.3.人形机器人轻量化主要路径数据来源：人形机器人发布，科盟创新机器人官微，高工人形机器人，东吴证券研究所图：拓扑优化可大幅降低零部件重量 图：科盟创新基于PEEK材料的谐波减速器产品 ◼从特斯拉角度看，轻量化主要从原材料角度出发。当前，人形机器人用量较多的轻量化材料为铝合金，但方案或将切换。OptimusGen2手臂部位采用连续碳纤维增强PEEK（CF/PEEK）复合材料，相比传统铝合金和不锈钢，重量减轻70%，整机重量降低10kg。◼原材料替换主要逻辑为采用更低密度的金属材料。碳纤维、镁合金、高性能工程塑料的密度都显著低于不锈钢、高强度钢、铝合金等主流轻量化材料为基准。从性能角度看，高性能工程塑料、镁合金与铝合金的屈服强度和比强度相差无几，原材料替换时对结构强度的影响可以忽略不计；碳纤维材料的屈服强度和比强度远高于其他轻量化材料，但受限于成本无法大规模应用。因此，镁合金及高性能工程塑料或为主流替换方案。1.4.原材料替换大有可为数据来源：趣味材料与结构，思瀚研究院，人形机器人产业通，东吴证券研究所表：各类轻量化材料参数对比金属材料产品密度(g/cm3)不锈钢3048高强度钢-7.8铝合金6061-T62.7钛合金Ti-6Al-4V4.43碳纤维-1.5-1.8镁合金AZ31B1.78高性能工程塑料PEEK1.3-1.5 屈服强度/拉伸强度(Mpa)比强度(MPa/((g/cm3))21526.9800+-276102.2840187.41500-5000830-3300220123.6200-300130-230 2.成本下行&技术突破为镁合金输入新动力 ◼过去牵制镁合金大规模应用的因素为工艺和经济性。以汽车领域为例，大规模使用的轻量化材料以铝合金、高强度钢为主，镁合金用量较小，碳纤维材料主要用于高端车型（超跑等）。此外，镁合金电磁屏蔽效能较铝合金可提升约30%，可有效保护机器人内部电路免受干扰，叠加更高的散热效率，故而相较于汽车赛道，镁合金更适配人形机器人。◼从轻量化角度看，铝合金的上位替代为镁合金、碳纤维材料等。其中，镁合金密度为铝合金的2/3，过去原材料成本较高，且工艺复杂；碳纤维材料虽能大幅降低产品重量，但成本高昂使得终端产品的价格定位较高，无法大批量应用。而当前，镁合金原材料成本下行以及镁合金制造工艺的不断拓展和优化，使得镁合金性价比逐渐凸显，过去的牵制因素有望得到优化。2.1.为什么看好镁合金的应用？数据来源：深企投研究，低空飞行器研讨会，Wind，东吴证券研究所表：镁合金和其余轻量化材料对比材料类型减重比原材料成本（元/千克）镁合金30%-70%17.84密度为铝合金的2/3、不到钢材的1/4，韧性好、阻尼衰减能力强、抗冲击性能好，热容量低、凝固速度快、压铸性好，适合大批量压铸制造，可铝合金30%-60%20.32密度为钢材1/3，性价比高、加工成型性好、可循环回收、力学性能好高强度钢（马氏钢）15%-25%低于铝合金新一代马氏钢抗拉强度是常用6061铝合金材料强度的5倍，价格不到铝合金的一半；钢材应用改性塑料（热塑性塑料）10%-30%低于铝合金比重低于铝合金，纯电动车以塑代钢可减重100千克左右，外观装饰效果好，容易成型，具有高抗冲韧性、高刚性和抗冲击力，耐腐蚀性强，可碳纤维复合材料50%-70%70-80密度小，减重效果最好，相比钢材可减重75%以上；抗拉强度可以达到钢材的7倍以上；吸振 优势劣势循环回收耐蚀性较差，材料制备、加工工艺复杂减重效果弱于镁合金、碳纤维，在部分高强度要求的部件，力学表现不如高强钢，价格远高于高强度钢技术成熟成型性差，减重效果不明显，加工难回收普通塑料的强度低、塑料感强、有异味；档次低，存在高温抗蠕变问题，回收处理存在污染问题能力强材料成本高、工艺复杂，价格远远高于铝合金、镁合金（铝合金的5倍以上），抗穿刺性能差，回收利用较困难 ◼镁锭价格自2022年起持续下行，当前原材料成本低于铝。自2022年起，镁合金上游原材料镁锭的价格持续下跌，于2024年年初几乎与铝价持平。自2024年9月起至今，镁锭价格始终低于铝，2025H1铝价均价为2.03万元/吨，镁锭价格为1.78万元/吨。◼从供给端看，中国为镁原材料供应大国，2024年产量占比全球的95%。中国镁锭产量从2000年的140千公吨提升至2024年的950千公吨，占比从38%提升至95%。充沛产量从一定程度上可以保证后续镁锭价格的维稳。◼原材料价格下行有望助推镁合金供需共振上行。从镁合金产量来看，当前中国镁合金产量稳定在30-40万吨左右，继2021年镁原材料上涨后，镁合金产量同比走低，于2024年反弹。2024年镁合金产量为39.68万吨，同比+14.95%。随着原材料成本长期维持低位，镁合金产量有望进一步上行，或将助推镁合金采购成本下行&用量上行。2.2.原材料成本下行&供给充分解决经济性问题数据来源：Wind，镁哥QYF，东吴证券研究所图：铝和镁锭价格对比（元/吨）图：中国镁锭产量和全球镁锭产量 图：中国镁合金产量 ◼据星源卓镁招股说明书显示，当镁合金价格与铝合金价格比等于1.29时，生产相同产品所耗用的原材料及加工成本基本一致，镁铝价格比在1.2-1.3时镁具有更高的性价比，足以取代铝合金并大规模用于工业生产。◼25H1镁铝平均价格比仅0.878。以建筑行业2022年数据为例，每平方米镁模板压住/挤压产品成本分别为500.7元、664.0-714.0元，对应铝模板产品为655.4-660.4、740.4-752.9元，终端产品成本优势显著。加工后每千克镁合金产品成本在30.04-42.84元，铝合金为26.22-30.12元，但镁合金密度约为铝合金的2/3，因此对于同一压铸产品，镁合金加工后成本约低31%左右。2.2.当前价格下，镁合金性价比更高数据来源：高峰《铝及镁合金在建筑模板行业应用现状及展望》，星源卓镁招股书，东吴证券研究所图：镁合金和铝合金经济性测算镁模板(压铸)镁模板(挤压)原锭材价格17841元/吨加工费(元/吨)锭材加工费2000棒材加工费4000模板加工压铸及人工费170元/m²挤压费9000-12000元/吨+人工费150元/m²每吨模板面积(m²)60模板成本(元/m²)500.7664.0-714.0若镁铝价格持平镁模板(压铸)镁模板(挤压)原锭材价格20000元/吨加工费(元/吨)锭材加工费2000棒材加工费4000模板加工压铸及人工费170元/m²挤压费9000-12000元/吨+人工费150元/m²每吨模板面积(m²)60模板成本(元/m²)536.7700-750 铝模板(压铸)铝模板(挤压)20308元/吨锭材加工费300棒材加工费300半固态压铸及人工费5600-5800元/吨挤压费3000-3500元/吨+人工费150元/m²40655.4-660.4740.4-752.9铝模板(压铸)铝模板(挤压)20000元/吨锭材加工费300棒材加工费300半固态压铸及人工费5600-5800元/吨挤压费3000-3500元/吨+人工费150元/m²40647.5-652.5732.5-745 ◼镁合金成型工艺可分为液态、半固态、塑性三大类。其中，液态成型主要为压铸法；塑性成型主要为轧制、热挤压、冲压。以上四类方法广泛应用于汽车、航空航天等领域。当前镁合金成型工艺主要采用压铸法，工艺成熟且生产率高，但产品质量仍需要提高。◼半固态成型技术为镁合金未来技术趋势，过去主要应用于消费电子领域和制造业薄壁件。半固态成型技术主要利用金属从液态向固态转变（即液固共存）过