国金基础化工陈屹｜人形机器人：开启量产元年材料端迎来机遇

  人形机器人：行业发展进入快车道，量产阶段相关材料将持续受益。人形机器人的发展已经经历了萌芽探索阶段、集成发展阶段、高动态发展阶段、智能化发展阶段四个阶段，目前正处于智能化发展逐渐向大规模应用过渡的阶段。从功能实现上，人形机器人可分为5个能力等级，根据中国信息通信研究院研究报告分析，综合技术进展情况和需求侧情况预计，从现在到2028年，全能型人形机器人将整体处于Lv1等级，以科学研究为主要落地场景，客户主要是从事人形机器人相关软硬件研究的高校、企业等科研团队,其他形态人形机器人则加速向Lv2等级演进，我国整机市场规模约在20至50亿元。人形机器人技术高度集成，主要由“大脑”、“小脑”和“肢体”三个部分所组成，新材料主要使用在在骨路、外壳等方面，最重要的包含高端工程塑料、碳纤维和电子皮肤。

  高端工程塑料：突出特色在于高性能及轻量化。对于人形机器人来说，高端工程塑料材料相比于金属合金材料的非常大的优势在于密度较轻，极大程度上减少了机器人的负重，让人形机器人落地和量产能够得以实现，一些高端工程塑料材料的性能甚至要优于传统金属材料例如PEEK、PPS材料等。除此以外，还可以对工程塑料材料进行改性与修饰，让这些材料可以适用于更多的应用场景，高端工程塑料在机器人主体结构中的应用占比有望持续提升。

  碳纤维：凭借其轻便坚固的特性成为机器人实现轻量化的核心材料。碳纤维指的是用腈纶和粘胶纤维作原料，经高温氧化碳化而成且含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，耐高温居所有化纤之首，具有轻质高强、耐高温和耐腐蚀、良好的导热和导电性、优异的力学性能、易加工和设计灵活性等特点。碳纤维复合材料在机械臂中被广泛应用，制作相同强度的机械手臂，选用碳纤维复合材料(CFRP）可将机械手臂的总质量控制在5-15kg。

  电子皮肤材料：柔性传感器为实现智能交互的核心，柔性基地材料也将迎来增量需求。电子皮肤是一种致力于模拟并超越人类皮肤功能的可穿戴柔性仿生传感器，一般是由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。柔性触觉传感器能够实现与环境接触力、温度、湿度、震动、材质、软硬等特性的检测，是机器人直接感知环境作用的重要传感器，有助于智能化的人形机器人实现产业化落地。根据QYResearch数据预测显示，2022年全球柔性触觉传感器市场约为15.34亿美元，预计2029年市场规模增长至53.22亿美元，2022-2029年CAGR为17.9%。柔性基材则可以起到承载电子皮肤并确保其与生物皮肤或其他材料相容的作用，具有理想的柔韧弹性与力学强度的新型柔性高分子薄膜材料能够很好地满足其要求，目前最为常用的基底材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚酰亚胺(PI)薄膜。

  随着人形机器人迎来量产元年，上游核心化工新材料也将从中持续受益。从人形机器人的结构组成来看，“大脑”和“小脑”涉及到的相关材料为AI材料，“肢体”部分需要应用化工新材料实现轻量化和“感知”功能。从应用方向分类，助力机器人实现轻量化的材料主要为高端工程塑料和碳纤维，其中高端工程塑料包含聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、液晶聚合物（LCP）、热塑性弹性体（TPE）和超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）等；帮助机器人实现感知交互能力的电子皮肤涉及到的主要材料为柔性传感器和基底材料，其中运用最广泛的两种柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酰亚胺(PI)薄膜。

  人形机器人具有拟人智能、类人形态和广泛适用三个特点。人形机器人指模仿人类外观和行为，具备较高智能化水平的机器人，与传统工业机器人、服务机器人相比，人形机器人最大的特点是其与人类相似的“肢体”结构、运动方式和感知方式，并在人工智能大模型的赋能下，从体能、技能、智能三方面，实现对人的模仿。

  人形机器人的发展已经经历了萌芽探索阶段、集成发展阶段、高动态发展阶段、智能化发展阶段四个阶段，目前正处于智能化发展逐渐向大规模应用过渡的阶段。回顾人形机器人的发展历程，萌芽探索阶段（20世纪60年代末至90年代）的主要特点是基本实现双足行走功能和控制能力，初步具备了拟人化的结构，但整体上运动能力较弱。集成发展阶段(本世纪初至2010年)以感知和智能控制整合为主要特点，通过感知和能控制技术的整合，机器人具备了初步的感知系统，能够感知周围环境的基本信息，并根据感知输入做出简单判断并调整动作。高动态发展阶段(2010年至2022年) 机器人已经具备了较强的运动能力，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。智能化发展阶段(2022年至今)在人工智能技术的赋能下，机器人具有了更加智能化的感知、交互和决策能力。历经多年发展及技术迭代，在巨大的潜在市场需求牵引以及人工智能技术深度赋能的带动下，人形机器人已进入技术集中突破和应用初步试水的关键发展阶段,未来将逐渐进入到大规模应用阶段。

  人形机器人潜在应用场景丰富，未来市场空间巨大。从功能实现上，人形机器人可分为5个能力等级，目前全球绝大多数全能型人形机器人产品处于Lv1等级,少部分头部企业最新产品和轮式机器人等其他形态的人形机器人正在逐步向Lv2等级探索，并从工业制造领域的toB端向服务领域的toC端拓展。根据中国信息通信研究院研究报告分析，综合技术进展情况和需求侧情况预计，从现在到2028年，全能型人形机器人将整体处于Lv1等级，以科学研究为主要落地场景，客户主要是从事人形机器人相关软硬件研究的高校、企业等科研团队,其他形态人形机器人则加速向Lv2等级演进，我国整机市场规模约在20至50亿元。2028年到2035年，人形机器人整体进入Lv2等级，以特种场景应用为主，工业场景逐步落地，整机市场规模达到约50至500亿元。2035年到2040年人形机器人整体进入Lv3等级，在工业场景形成规模，服务场景逐步落地，整机市场规模达到约1千至3千亿元。2040年到2045年，人形机器人整体进入Lv4等级，实现工业场景和服务场景规模应用，整机市场规模达到约5千至1万亿元。2045年后人形机器人整体进入Lv5等级，在用人形机器人超过1亿台，进入各行业领域，整机市场规模可达约10万亿元级别。

  人形机器人技术高度集成，主要由“大脑”、“小脑”和“肢体”三个部分组成。“大脑”目前主要是基于人工智能大模型技术，同时也可通过云边协同，提高机器人的智能水平。“小脑”目前主要基于人工智能、自动控制、机器人操作系统等技术，实现复杂环境下的运动控制。“肢体”负责实现高动态、高爆发、高精度运动，集成了人体运动力学、机械结构设计、新材料、传感器等诸多技术，包括仿人机械臂、灵巧手、腿足等关键结构，并通过集成传感器和长续航动力单元，实现能源-结构感知一体化。

  人形机器人的新材料主要应用在骨路、外壳等方面，主要包括高端工程塑料、碳纤维和电子皮肤。从人形机器人的结构组成来看，“大脑”和“小脑”主要基于人工智能等技术，涉及到的相关材料主要为AI材料；“肢体”作为实现所有拟人功能的载体和基础，在保证机器人功能的先进性、稳定性、使用可靠性和服投安全性的前提下，采用轻量化材料提高机器人的机动灵活性，因而新材料的应用场景覆盖了各种结构件。从功能角度出发，帮助“肢体”实现执行功能的材料主要有高端工程塑料和碳纤维，实现“感知”功能的材料主要为电子皮肤。

  工程塑料材料相比于传统的金属或合金材料，其最主要的优点是强度相似的条件下工程塑料的密度较金属材料有着十分明显的优势，有些工程塑料材料的性能甚至要远远优于金属材料。这使得工程塑料在机器人外部及内部硬件上有着较多的应用与替代，种类也十分丰富，主要的工程塑料材料包括例如PEEK、PPS、PA、LCP、TPE、UHMW-PE等。

  PEEK材料最早由英国帝国化学公司（ICI）开发出来，自问世以后很长一段时间被用作一种重要的战略国防军工材料，并实施严格的封锁和禁运。PEEK作为一种高分子新材料，相比于普通材料，其性能突出表现在具有高耐热性和热稳定性、优异的机械性能和韧性、杰出的化学抗性以及优异的耐磨性和滑动性能。耐热性方面，PEEK材料即使在260℃的环境下使用5000小时，强度也几乎与初始状态相同，且热稳定性优异，熔点达341℃。化学性能方面，PEEK相比于其他高分子材料的耐腐蚀性能优势十分明显。

  PEEK材料由于其优异的性能，在“以塑代钢”和“轻量化”的大背景下，逐步用于替换金属材料的使用，在交通运输、航空航天、电子信息、医疗健康等多个领域得到广泛的应用。而在人形机器人领域，国内已有厂家将其应用于人形机器人的关节、轴承、齿轮、四肢等部件，不仅降低了机器人整体的重量，提供了稳定的传动和支撑，同时减少了摩擦和磨损，延长了机器人的使用寿命。例如在特斯拉的Optimus-Gen2人形机器人中，PEEK材料充分发挥了轻量化的优势，不仅减重10公斤，而增加了机器人30%的行走速度。PEEK材料的高强度和低密度的优异性能，使其成为解决人形机器人轻量化的理想选择。

  当前全球PEEK行业产能较为集中，全球生产厂商呈现“一超多强”的竞争格局。英国威格斯是全球最大的PEEK生产商，产能达到7150吨/年，约占全球产能的60%。比利时索尔维现有PEEK产能2500吨/年，其生产基地主要集中在印度，产品主要出口欧洲和日本。德国赢创（其主要PEEK生产主体为吉大赢创）是第三大PEEK生产商，产能达1800吨/年，产品主要出口欧洲。由于刚问世时对PEEK材料的技术封锁，我国对PEEK材料来技术研发较晚，“九五”期间长春吉大高新材料公司完成工业中试生产。经过近20年的工作，吉林大学特种工程塑料研究中心开发出具有自主知识产权的PEEK树脂合成路线，树脂主要性能达到国外同类产品水平。2002年底长春吉大高新材料公司投资1亿元建成一期300吨/年聚醚醚酮装置，从而打破了威格斯公司独家垄断的局面。2014年中研股份PEEK年产能达1000吨，与威格斯、索尔维、赢创并列为全球仅有的4家PEEK合成能力超过千吨级的企业。除此之外，国内还有其他较多PEEK生产企业，例如盘锦伟英兴、山东君昊、沃特股份和吉大特塑等。

  PEEK材料当前已经在汽车、航空航天、医疗、电子等领域有较多应用，同时伴随着机器人行业的快速发展，PEEK材料将会有较快的发展。2024年全球PEEK市场规模约为61亿元，预计到2027年市场规模将达到84亿元，CAGR达11.38%。建议关注相关企业中研股份、新瀚新材、普利特、沃特股份、金发科技等。

  聚酰胺俗称尼龙，是历史悠久、用途广泛的通用工程塑料，为五大工程塑料中产量最大、品种最多、用途最广的品种。聚酰胺树脂种类较多，常见的有例如PA6、PA66、PPA等，具有优良的耐磨性、自润滑性，机械强度较高，且能耐酸、碱、多数无机盐溶液、烃类、酯类等腐蚀，被广泛地应用于化学纤维、汽车、电子电器等行业。在人形机器人产业中，聚酰胺树脂由于其良好的韧性、耐磨性及可塑性，十分常见用于机器人零部件的3D打印中，例如法国Ensta Paris Tech公司和FlowersLab公司合作设计的Poppy机器人，身高83厘米，重量仅3.5千克，除马达和电子电路外，Poppy的所有零件都是使用聚酰胺3D打印而来。

  当前我国聚酰胺产品中用于工程塑料较多的有PA66和PA6，其中PA66下游应用中，工程塑料占比达49%，主要使用在于汽车行业、电子电器和轨道交通；而PA6切片的下游应用中，工程塑料的占比较小，仅有17%，其主要下游应用仍是锦纶纤维。未来随着机器人材料应用的渗透提高，PA66及一些更适用的改性聚酰胺工程塑料如PPA将在工程塑料端的应用占比有所提高。

  我国PA66行业当前总产能达118.9万吨，CR8达95.88%集中度较高，主要产能集中在上海英威达、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。我国当前PA66市场较为饱和，供给过剩下游需求较为疲软，行业开工率不足70%多年维持在较低水平。未来机器人3D打印技术的推广以及工程塑料在机器人零部件中的应用比例的提高，将会刺激PA66带来新一轮的需求高速增长，很大程度上缓解我国PA66行业当前供给过剩、开工率低迷的情况。建议关注应用于工程塑料端的聚酰胺产销企业，例如：神马股份、华峰化学、隆华新材等。

  聚苯硫醚（PPS）是分子链中带有苯硫基的高性能热塑性树脂，具有较高的热稳定性，热变形温度超过260℃，可在220℃连续使用；耐化学腐蚀性优异，对酸、碱、盐溶液、有机纯酮等溶剂均稳定；密度较低，仅1.34-1.36g/cm3；自身是绝缘体，但材料经过氧化或掺杂改性后可成为半导体；同时具有较高的刚性、强度等机械特性。PPS其优异的物理化学性质使得其被广泛地应用在电子电气、汽车、精密机械、航空航天、环保等领域，其中汽车和电子电器是全球聚苯硫醚市场应用最大的两个领域，占比接近80%。

  PPS最早于1968年被菲利普斯成功研制工业化合成路线年以前一直被其垄断着PPS的生产和市场；在专利到期后的短短几年里，日本公司纷纷建立了树脂及复配料加工厂，东丽公司、东洋纺公司、吴羽公司相继进行了PPS纤维的开发，目前日本公司的产品占据着全球主要市场。我国PPS的研究与建设稍晚于国外，国内当前PPS龙头企业是新和成，拥有PPS产能22000吨/年，是国内唯一能够稳定生产纤维级、注塑级、挤出级、涂料级PPS的企业。

  在机器人领域，PPS由于出色的耐热耐腐蚀以及低密度的特性，作为机器人骨架、连接件可使机体整重减重较大；此外PPS的绝缘性能和介电强度，以及较低的综合成本，也是其在机器人材料中的重要优势之一。PPS材料相比PEEK材料，在机器人中的应用存在一些潜在优势。PPS材料国产化程度较高，完全生产成本和价格相较于PEEK材料略有优势，同时它们的机械强度和耐腐蚀性能相当，在机器人骨架轻量化上的表现也比较优异。PPS材料未来可能会是PEEK材料在机器人骨架材料上的有力竞品。建议关注国内PPS龙头企业新和成。

  液晶聚合物（LCP）材料是一种当处于熔融状态时会显示出液晶特性的热塑性高分子材料，特点是分子具有较高的分子量又具有取向有序，LCP在以液晶相存在时粘度较低，且高度取向，而将其冷却固化后，它的形态可以稳定地保持。LCP材料具有一系列优异的性能，例如具有高强度、突出的耐热性、低吸水率、优异的阻燃性、电绝缘性、耐化学腐蚀和低介电常数等特点，被广泛地应用于电子电器、航空航天、国防军工、光通讯等高新技术领域。LCP根据液晶相的形成条件，可分为溶致性液晶（LLCP）和热致性液晶（TLCP），LLCP类型的聚合物只能在溶液中加工，不能熔融，只能用作纤维和涂料；而TLCP可在熔融状态加工，不但可以通过溶液纺丝形成高强度纤维，而且可以通过注射、挤出等热加工方式形成各种制品，其品种及应用都远超LLCP。

  目前全球LCP材料产能主要集中在日本和美国，日本和美国的企业在20世纪80年代就开始量产LCP材料，LCP全球龙头企业主要是美国塞拉尼斯、日本宝理塑料及日本住友化学，现有产能达到2.2万吨、2万吨和1.1万吨。我国进入LCP领域较晚，之前长期依赖美日进口，但是近几年来随着金发科技、沃特股份、普利特等企业布局的LCP产能陆续投产，现有产能已经分别达到6000吨、5000吨和10000吨，并且有较多的在建产能，产能规模逐渐追赶海外龙头水平，使得国产LCP材料的占比有所提高，国产化替代的进程加快，也有利于未来机器人材料中LCP材料渗透率的提高。

  对于机器人材料而言，LCP在机器人伺服电机连接器中使用频繁，优良的耐高温性和尺寸稳定性使其成为各类精密电子元件的最佳材料。人形机器人上游核心硬件最重要的包含伺服电机、减速器、控制器、传感器等，几乎占到了机器人成本的70%。相比于普通的工业机器人和服务机器人，人形机器人在结构设计、硬件构成、控制算法、核心性能要求以及零部件选择上都有很大的差异，比如普通工业机器人，关节在2-10轴之间，而人形机器人关节数量预计在40个以上（例如特斯拉Optimus达到40个），每一个关节需要一台伺服电机，伺服电机也是人形机器人的主要核心零部件之一。因此LCP材料未来在人形机器人中的用量将有所提高，行业需求预计将会较快增长，建议关注国内LCP行业龙头普利特、金发科技、沃特股份等。

  热塑性弹性体（TPE）是一类常温下具有橡胶的弹性，高温下具有可塑化成型的高分子弹性体材料。其结构特点是由化学键组成不同的树脂段和橡胶段，因此TPU材料具备硫化橡胶的物理机械性能和热塑性塑料的工艺加工性能，是介于橡胶与树脂之间的一种新型高分子材料，常被人们称为第三代橡胶。TPE材料种类众多，最早于1938年德国Bayer发现聚氨酯类TPE，如今世界上已经工业化生产的TPE多种多样，包括苯乙烯类、烯烃类、氯乙烯类、氨酯类、酰胺类、有机氟类、有机硅类等等，几乎涵盖了现在合成橡胶与合成树脂的所有领域，下游应用涉及汽车、电子、电气、建筑及日常生活用品等多方面。

  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；拥有非常良好的耐寒性、脆点较低；更好的耐腐的能力；易于加工成型；环保性、可被回收利用；触感可调；安全性，通常不含有毒有害于人体健康的物质；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。

  根据机构预测数据，TPE全球市场2024年价值为139.83亿美元，预计2025年达到148.50亿美元，到2033年将扩大到240.28亿美元，CAGR达6.2%。TPE下游应用中汽车行业占40%，主要将TPE组件纳入密封系统、内部装饰等；其次是消费品和建筑，大约30%的全球TPE用于密封系统、垫圈和软管；在医疗行业，超过20%的医用管融合了TPE材料。

  TPE材料种类众多，当前全球体量最大的TPE材料是苯乙烯类热塑性弹性体（TPES），全球TPES市场规模超过250万吨，国内的TPES产能140万吨/年。低端品种例如SBS、SIS供求平衡偏松，国内市场集中度较高，目前呈现“寡头垄断”的竞争格局，我国SBS生产企业有十几家，主要企业有惠州李长荣橡胶、中石化（巴陵分公司、燕山石化、茂名石化）、宁波长鸿高分子、中石油独山子石化、天津乐金渤天化学等，其中中石化、惠州李长荣橡胶和长鸿高科三家企业的市场占有率占总体市场的70%以上。而高端品种方面，我国SEBS产不足需，主要仍是中石化、惠州李长荣橡胶和长鸿高科三家企业，市场占有率达80%以上；而SEPS国内尚未实现大规模的产业化生产，SEPS的绝大部分需求依赖进口。在TPE材料的高端品种上，国内企业与国外龙头仍有很大的差距，建议关注TPE行业龙头中国石化、长鸿高科等。

  随着人形机器人迎来量产元年，上游核心化工新材料也将从中持续受益。从人形机器人的结构组成来看，“大脑”和“小脑”涉及到的相关材料为AI材料，“肢体”部分需要应用化工新材料实现轻量化和“感知”功能。从应用方向分类，助力机器人实现轻量化的材料主要为高端工程塑料和碳纤维，其中高端工程塑料包含聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）、液晶聚合物（LCP）、热塑性弹性体（TPE）和超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）等；帮助机器人实现感知交互能力的电子皮肤涉及到的主要材料为柔性传感器和基底材料，其中运用最广泛的两种柔性基底材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酰亚胺(PI)。

  来源：同花顺、各公司公告、百川盈孚、艾邦高分子、中商产业研究院、ACMI/SAGSI、国金证券研究所

  机器人产能释放没有到达预期：我们大家都认为如高端工程塑料、碳纤维、电子皮肤等相关材料将随着人形机器人放量迎来投资机遇，若人形机器人投产没有到达预期将会导致相关材料放量没有到达预期。

  材料渗透率提升不及预期：与人形机器人相关的部分材料有几率存在成本比较高、国产化率较低或产业链配套不够完善的问题，可能会引起部分材料在人形机器人中渗透率提升较慢。

  技术迭代导致材料被替代：随着人形机器人一直在升级，可能会引起当前需求较好的材料在未来被其他新材料替代。

  竞争格局恶化：随着上游材料国产化率的提升，部分壁垒相比来说较低的行业有可能大幅扩产以致竞争格局恶化。

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