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。
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。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，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。
表1：2017-2023中国人形机器人行业投融资事件汇总
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。
表2：2016-2024年中国机器人相关产业政策
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。
图3：全球人形机器人市场规模（亿美元）
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。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
仿生骨骼领域碳纤维应用是近几年的研究热点。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“AssistSuite 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。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领域。2023 年 12月 12 日，特斯拉最新一代机器人 Optimus-Gen2 的升级引起广泛关注。该产品成功应用“树脂之王”PEEK 材料，使机器人的重量减轻 10kg，行走速度提升 30%，其他性能进一步加强。
图8：常用普通塑料、工程塑料及特种工程塑料示意图
表5：PEEK主要特性
PEEK 与其他塑料相比，具备较强性能优势。相较于主要工程塑料、特种工程塑料，PEEK性能全面，在刚性方面优于绝大多数特种工程塑料的同时，也兼具韧性，展现了全面的机械性能，此外在耐热、耐磨、耐腐蚀等方面均表现优异。因此，PEEK 是公认的全球性能最好的热塑性材料之一。
表6：PEEK与主要工程塑料、特种工程塑料性能对比情况
在“以塑代钢”、“轻量化”的大背景下，PEEK 以其优异的性能在中高端领域逐步替换金属材料的使用。PEEK 作为一种高分子新材料，其主要用于替代金属材料， PEEK 比强度大，在满足强度要求的前提下，可以大幅度减小材料本身的自重，成为实现“轻量化”的解决方案。此外 PEEK 在绝缘性、耐化学性方面均优于普通金属。因此 PEEK 材料逐渐取代金属材料和工程塑料，提高人形机器人耐用性和性能的趋势明显。
表7：PEEK与通用金属材料指标对比情况
2.2.2. 行业整体呈现供大于求，国产替代趋势明显
PEEK 属于合成树脂制造行业，制备工艺较为复杂。行业上游是化学原料和化学纤维制造行业，下游应用于交通运输、航空航天、电子信息、能源及工业、医疗健康等行业。以中研股份工艺路线为例，其采用的是亲核取代路线，即氟酮和对苯二酚在碱金属盐存在的条件下，以二苯砜为溶剂，在 280℃-340℃条件下进行缩聚反应，然后再通过丙酮和水去除残留的溶剂和盐，经过干燥工艺获得高分子量的 PEEK 树脂，然后根据产品性能需要，将玻纤、碳纤、聚四氟乙烯、石墨等加入到挤出机中与粗粉共同进行挤出，得到复合增强类树脂颗粒。
图9：PEEK纯树脂和复合增强类树脂工艺流程
图10：PEEK产业链示意图
原材料成本占比较高。2022 年中研股份 PEEK 材料生产成本中原材料/制造费用/人工/能源动力及运输费占比 75%/11%/8%/6%，原材料主要包括氟酮、对苯二酚、二苯砜、碳酸钠等。其中氟酮是合成 PEEK 最关键的原材料，其纯度、品质将直接影响 PEEK 的产品质量。材料成本主要来自氟酮，每生产 1 吨 PEEK 需要消耗约 0.7-0.8 吨氟酮单体。
图11：2022年PEEK成本拆分（纯树脂颗粒）
中国 PEEK 市场规模增速将大于全球。根据弗若斯特沙利文披露的数据，中国市场 PEEK市场规模由 2018 年的 8 亿人民币增至 2022 年的 15 亿人民币，复合增长率达到了 17.01%。预计到 2027 年，中国本土新能源、半导体和医疗等高端制造业的产能将得到进一步释放，市场规模将由 15 亿元提升至 28 亿元，年复合增长率约 13.3%。
图12：全球2018-2027PEEK市场规模及预测
全球来看，PEEK 主要为国外三家企业供给。 据中国化信咨询的数据，2022 年全球 PEEK总产能约 1.6 万吨/年，前 3 大生产企业合计占据全球产能的 80%。威格斯是全球最大的PEEK 生产商，产能 8650 吨/年，占全球总产能的 50%以上；其次是索尔维和赢创，产能分别为 2500 吨/年和 1800 吨/年。威格斯和赢创在中国大陆均有生产基地。其中，威格斯与营口兴福的合资企业盘锦伟英兴于 2022 年 9 月建成了 1500 吨/年产能；吉大赢创在2022 年 8 月完成股权变更后已由赢创 100%控股，但产品基本出口至欧美地区。
图13：威格斯PEEK解决方案应用
国内企业产能扩展迅速。2022 年，中国共有 8 家 PEEK 生产企业，总产能和产量分别为6050 吨/年和 2380 吨，同比增长 70.4%和 11.9%。中国本土 PEEK 代表企业是中研股份和浙江鹏孚隆。其中，中研股份的工艺技术水平在国内处于领先地位，能够提供各种级别的产品。未来 5 年，全球 PEEK 新建项目主要集中在中国。2023 年中国投产的 PEEK 项目为沃特股份 2000 吨/年 PAEK（包括 900 吨 PEEK，100 吨 PEKK）项目，中国 PEEK 产能有望增至 6950 吨/年。
图14：2022年全球PEEK竞争格局
国产 PEEK 产品质量不断提升，逐步缩小了与国外产品的差距，并且价格具有很强的竞争力。根据英国威格斯年报，PEEK 在工业和医疗领域的定价差距巨大。威格斯工业级 PEEK的售价约为 55 万元/吨，医疗级 PEEK 大约为 245 万元/吨。根据中国化信咨询披露的信息，在国际市场上，标准级 PEEK 售价一般为 80-100 万元/吨，而国产产品平均售价在 50万元/吨以内。国内企业在原料和设备方面立足于国内的同时不断提高产能，取得了成本优势，使国产 PEEK 的市场售价显著低于国际市场价格。
表8：威格斯与中研股份价格对比
2.3. 碳纤维增强 PEEK 复合材料是国内未来发展方向
碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）高性能热塑性复合材料是未来人形机器人的核心材料。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。与传统铝合金和不锈钢相比，铝合金的密度为2.8g/cm3，不锈钢的密度为 7.3g/cm3，连续 CF/PEEK 复合材料的密度为 1.5-1.6g/cm3，具有重量轻，强度高的优势。与传统的碳纤维粉末改性材料相比，碳纤维的高强度、高模量特性赋予了 CF-PEEK 复合材料高强度、高弹性模量和抗变形特性。机械强度提高至少 3 倍，模量也提高至少 3 倍，具有更好的尺寸稳定性和抗变形性。
表9：PEEK纯料和复合材料主要牌号及典型性能指标
CF/PEEK 生产技术亟待突破。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，主要应用于航空航天等尖端领域。国内 CF/PEEK 的研发集中在高校、科研院所和极少数企业之中。国外核心制造技术及相关装备都被严格保密，对中国实施严苛的封锁政策。国内大多数 CF/PEEK 产品，如预浸带、预浸板多依靠进口，数量无法满足需求、应用成本较高，极大限制了国内市场对此类产品的大范围应用。目前国内多家 PEEK 企业正加大投入进行 CF/PEEK 研发工作。
表10：CF/PEEK相关企业
2.4. 人形机器人量产将较大拉动 PEEK 需求，对碳纤维影响不大
人形机器人的量产较大拉动 PEEK 行业需求。PEEK 和碳纤维材料在人形机器人中的应用范围主要为机械臂，特斯拉第二代机器人手臂使用的是连续碳纤维复合材料单项带，其中单向增强碳纤维与 PEEK 的比例约为 55%比 45%，若两个机械臂的重量约为 10kg，50%使用 CF/PEEK 复材，估算碳纤维与 PEEK 用量为 5.5kg 与 4.5kg。按照上文三种方式估计人形机器人的数量，对应碳纤维及 PEEK 用量如下表所示。以 2022 年碳纤维及 PEEK 行业对比来看，人形机器人的量产对于 PEEK 行业需求弹性拉动较大。
表11：人形机器人碳纤维和PEEK市场规模测算
相关公司梳理
3.1. 碳纤维公司
3.1.1. 光威复材
2005 年光威复材突破 T300 级碳纤维工程化关键技术，成功填补国内该领域空白，打破国外技术装备封锁，使得我国成为世界上少数掌握小丝束高性能碳纤维工程化关键技术的国家之一。公司目前已形成从原丝开始的碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料一直到碳纤维复合材料制品的全产业链布局。产品主要包括 GQ3522(T300 级)、GQ4522(T700 级)、QZ5526(T800 级)等各型碳纤维及复合材料，产品广泛应用于航空航天、武器装备、风电叶片、光伏热场、高压储氢、体育休闲、建筑补强等领域。
经营情况：光威复材碳纤维业务表现亮眼。2023 年度，公司的碳纤维板块，尤其是非定型纤维的业绩表现比较亮眼。拓展纤维板块业务发展整体平稳，实现销售收入 16.67 亿元，同比增长20.28%。
3.1.2. 吉林碳谷
吉林碳谷成立于 2008 年，主要从事聚丙烯腈基碳纤维原丝的研发、生产和销售，产品覆盖了从碳纤维原丝小丝束到大丝束的全系列产品，全系列产品都能稳定大规模生产，部分产品实现了高品质的稳定规模生产。产品已广泛应用于军工、航天航空、风电、高端装备、汽车、新能源、体育休闲用品及建筑材料等。
经营情况：
碳纤维原丝项目方面，吉林碳谷投建 3 万吨高性能碳纤维原丝项目分两期建设，一期公司预计于 2024 年中旬投产，二期公司将根据市场需求情况进行有序建设投产。截至2023 年 6 月末，公司年产 15 万吨碳纤维原丝项目已投产 60%以上，目前产能利用率在90%以上，公司预计 2024 年剩余产能全部投产。研发方面，公司在研项目主要包括缠绕气瓶及 T800、T1000 级原丝、巨丝束等项目，各项目进展顺利。其中 T800、T1000 级相关产品已经完成了实验室研制、小试和中试，并在规模稳定量产工艺技术上实现了全面突破，公司预计产品 2024 年第一季度实现规模量产。
3.1.3. 中复神鹰
中复神鹰系统掌握了 T700 级、T800 级、M30 级、M35 级千吨级技术以及 T1000 级、M40 级百吨级技术，在国内率先实现了干喷湿纺的关键技术突破和核心装备自主化，拥有成熟的万吨级碳纤维生产制造技术。公司产品基本实现了高强型、高强中模型、高强高模型各类型碳纤维的品种覆盖，并被广泛应用于航空航天、压力容器、碳碳复材、风电叶片、交通建设、体育休闲等领域。
经营情况：2023 年公司总产能达到 2.85 万吨，产能规模跃居世界前三，碳纤维产量位居全国第一。相较 2022 年的1.45 万吨产能，2023 年 5 月神鹰西宁二期 1.4 万吨项目的投产推动了公司产能规模的再提升，为碳纤维国产化替代进程的加快持续助力。
3.1.4. 恒神股份
恒神股份是一家集碳纤维及其复合材料生产、设计、研发、销售、技术应用服务为一体的国家高新技术企业。产品组合覆盖从原丝、碳纤维、上浆剂、织物、液体树脂、粘接剂、预浸料到碳纤维复合材料制件，航空复合材料结构件的高端全产业链企业。
经营情况：公司产能 23 年为 5000 吨，同时在航空和风电复合材料等高附加值业务的带动下，公司营业收入从 2018 年的 1.67 亿元增长至 2022 年的 10.74 亿元，增长 543%。
2022 年，公司生产饱满，生产更多是小丝束，4 月对外宣布拟投资 13.2 亿元，于陕西省榆林市开展“2 万吨/年高性能碳纤维生产基地”一期建设项目。榆林恒神项目一期一阶段将建两条生产线，年产能为 5000 吨，计划 2024 年 12 月建成，2025 年一季度末将具备投产条件，后续生产线将按市场需求逐步投产。
3.2. PEEK 相关公司
3.2.1. 中研股份
吉林省中研高分子材料股份有限公司，是一家集聚醚醚酮(PEEK)研发、生产、销售为一体的高新技术企业。公司主要产品为树脂形态的 PEEK，形成现有的“两大类、三大牌号、六大系列”共 52 个规格牌号的产品体系。
中研股份是继英国威格斯、比利时索尔维和德国赢创之后全球第 4 家 PEEK 年产能达到千吨级的企业，是继英国威格斯后全球第 2 家能够使用 5000L 反应釜进行 PEEK 聚合生产的企业，是目前 PEEK 年产量最大的中国企业。公司在国内市场持续实现进口替代，目前已经超越英国威格斯成为中国市场销量最大的公司。
经营情况：近年来，无论是成长性还是盈利能力，公司呈现稳中向好的发展态势。中研股份产品性能优良、供应稳定，下游客户不断扩大，公司营业收入和净利润呈持续增长态势。
3.2.2. 沃特股份
沃特股份产品主要包括特种及新型工程高分子、高性能复合材料、碳纤维及碳纳米管复合材料、含氟高分子材料，目前已应用在电子、家电、光伏、半导体、医疗、办公设备、通讯、汽车、电气、储能、机器人、无人机等领域。
经营状况：公司围绕特种高分子材料全产业链布局的战略，5G 高频通讯用 E-PTFE 薄膜产品实现技术工艺突破，聚苯硫醚（PPS）薄膜、聚醚醚酮（PEEK）薄膜研究工作按计划顺利推进，且公司年产 1000 吨 PEEK 生产线已顺利建成。
3.2.3. 凯盛新材
目前，公司系全球最大的氯化亚砜生产企业及国内领先的芳纶聚合单体生产企业。截至 2023 年底，PEKK 产能为 100 吨/年，产能利用率17.21%，在建 1000 吨/年项目于 2023 年 12 月底完成环保验收，已满足量产条件。
经营状况：2020-2022 年，公司营业收入从 6.24 亿元增长到 10.1 亿元，复合增长率达27.2%。2023 年，公司部分下游产品市场需求偏弱，部分化工产品价格下行并维持在低位，行业竞争加剧，在一定程度上给产能消化及产品毛利带来很大挑战，导致 2023 年公司营收及利润率均有下滑。
3.2.4. 新瀚新材
江苏新瀚新材料股份有限公司生产线可以基于傅克反应生产各类芳香族酮类产品，产品品种规格齐全，掌握了芳香族酮类产品的核心生产工艺。
公司年产 8,000 吨芳香酮（含年产 2,500 吨 DFBP 产能）及其配套项目将进一步提升公司的综合实力与市场竞争力，提高与下游客户的合作能力，有利于公司的可持续发展。
经营状况：2023 年，公司专注主业，全年经营保持稳定，产品销量较上年增长 15.86%，营业收入较上年增长 9.37%，其中：特种工程塑料原料销量增加超 40%，实现营业收入 2.55 亿元，较上年同期增长 25.67%。
风险提示
人形机器人量产进度不及预期：PEEK 及碳纤维的需求拉动数据建立在各家咨询机构及企业预测的人形机器人量产进度的预测下，若量产进度不及预期，则 PEEK 及碳纤维的需求将会达不到测算水平。
碳纤维及 PEEK 价格下降：若产品价格下降，则造成公司营收利润不能与人形机器人带来的需求拉动同比例变动，导致标的公司经营数据不及预期。
碳纤维及 PEEK 产能扩张超预期：产能扩张超预期则会导致供给大于需求，进而引发价格下降。
人形机器人采用其他材料等：若人形机器人采用其他材料，则对于 PEEK 及碳纤维没有需求拉动或减少需求拉动。
来源：聚材问道、复材在线、人形机器人联盟
