人形机器人用新材料发展机遇分析.docx

人形机器人用新材料发展机遇分析人形机器人：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Lvl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，主要由大脑二小脑和肢体三个部分组成，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。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绝对优势在于密度较轻，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。碳纤维指的是用睛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%o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。投资建议：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Al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懒酸酮(PEEK)、聚酰胺(PA)、聚苯硫醴(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(Pl)薄膜。正文报告目录：1 .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2 .高端工程塑料：替代传统金属材料，实现轻量化2.1 聚醴醴酮(PEEK)：机器人骨架轻量化的重要材料2.2 聚酰胺(PA)：机器人零部件常见材料2.3 聚苯硫醴(PPS)：兼具性价比的机器人骨架轻量化材料2.4 液晶聚合物(LCP)：机器人核心零部件的主要材料2.5 热塑性弹性体(TPE)：性能独特的第三代橡胶材料2.6 超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)：强度极高的高性能纤维材料3 .碳纤维：机器人轻量化的核心材料4 .电子皮肤：实现机器人的感知交互能力4.1 柔性传感器：智能交互的核心4.2 柔性基底材料：PDMS和Pl应用较多5 .投资建议6 .风险提示正文一、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。图表L人形机器人具备三大特点拟人智能通过人工智能大模型技术赋能，提升感知、决策、控制能力类人形态通用性、适应性更强快速融入到为人类设计的各类环境中执行复杂任务）通过云大脑和智能联网的方式，突破”一个躯体、一个大脑”的限制，实现算力和智能的飞跃 更强的耐受性和适应性 非结构化环境中长期以低成本运行 有效解决未来劳动力短缺问题V/来源：中国信息通信研究院、国金证券研究所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。图表2：人形机器人已经迈入智能化发展阶段1973早用田大学仿人机器人初具人形态运动IWlI萌芽探索阶段丰富功能和性能初制的2009波士顿动力AtIaS4液压鎏动高运动性能.价IS星贵高动态发展险段来源：中国信息通信研究院、国金证券研究所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Lvl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SB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Lvl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。图表3：人形机器人在不同发展等级下的场景应用和规模预期人形机器人发展等级下能够完成大部分非结构化任务，具备一定特定场景下的特定功雒,结构化任务,泛化能力较弱具备稳定的走、跑、跳功能和初步的交互能力必5全面智能实现Lv3场景智能实现Lv2初级智能实现实现K正的具身智能,通过篇单的学习即可完成各类Lvl基础能力实现在多个场景均能够完成大部分非结构化的任务,不少于3个场景控制人人的运动基于人工智能,自动控制.机器人援作系统(ROS)等技术实现复杂环境下的运动控制来源：中国信息通信研究院、国金证券研究所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。图表4：人形机器人的结构组成实时交互能力多模态摩加能力自主可*决策能力涌现和泛化能力来源：中国信息通信研究院、国金证券研究所基于人工智Qm型实现环境感知、行为控制、人机交互等任务级能力 可通过云边町同,提高智能水平S实现高动态、离爆发、高耦度运动 集成人体运动力学.机械结构设计.新材料、传传器等技术 包括伤人机械皆、灵巧手.I!足等 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Al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。二、高端工程塑料：替代传统金属材料，实现轻量化工程塑料材料相比于传统的金属或合金材料，其最主要的优势在于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。2.1聚酷酷酮(PEEK)：机器人骨架轻量化的重要材料PEEK材料最早由英国帝国化学公司(ICl)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。C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。图表5：各种高分子材料抗腐蚀性能比较PEEKPPSPPSUP日PPEPOM-CPPPCAcids(weak)+(+)Acids(Strong)(+)+(+)(+)(+)(+)-AlkalisCweak)+-+-AIkaIis(Strong)+*-+-Solve