人形機器人行業材料應用與發展分析

當下，人形機器人行業正以迅猛之勢向前發展，其發展歷程可謂是一部科技進步的編年史。從早期的萌芽探索階段，科研人員開始構想并嘗試制造類人形態的機械裝置，盡管那時的成果尚顯粗糙，但已為后續發展埋下了種子；到集成發展階段，各種基礎技術逐漸融合，人形機器人在結構設計和動力系統等方面取得初步進展；再到高動態發展階段，機器人的運動能力大幅提升，能夠完成更為復雜的動作；如今，已步入智能化發展階段，并正逐步向大規模應用過渡。

在功能實現維度，人形機器人依據能力可劃分為5個等級。依據中國信息通信研究院的研究報告，綜合考量當下技術發展態勢以及需求側的實際狀況，在未來直至2028年期間，全能型人形機器人整體將處于Lv1等級。此階段，其主要落地場景聚焦于科學研究領域，客戶群體多為高校以及從事人形機器人軟硬件研究的企業科研團隊。而其他形態的人形機器人則加速朝著Lv2等級演進。在此期間，我國人形機器人整機市場規模預計處于20至50億元區間。

人形機器人堪稱高度集成的技術結晶，主要由“大腦”（智能控制系統）、“小腦”（運動控制與平衡系統）以及“肢體”（機械結構部分）構成。在其機械結構方面，新材料的應用發揮著關鍵作用，尤其是在骨骼、外殼等部位，高端工程塑料、碳纖維和電子皮膚等材料正嶄露頭角。

高端工程塑料在人形機器人領域具有獨特優勢，其突出特點在于高性能與輕量化的完美結合。相較于傳統的金屬合金材料，高端工程塑料的密度顯著更低。以聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）等材料為例，它們在保證優異性能的同時，極大地減輕了機器人的負重。這一特性對于人形機器人的落地和量產至關重要，因為過重的機身會對機器人的動力系統、能源消耗以及運動靈活性產生負面影響。采用高端工程塑料，能夠使機器人在相同動力配置下，實現更高效的運動，降低能耗，提升續航能力。

此外，高端工程塑料還具備良好的可改性與修飾性。通過對其分子結構進行調整或添加特定的功能助劑，可以使其適應更多復雜的應用場景。在機器人的關節部位，經過改性的工程塑料能夠具備更好的耐磨性和自潤滑性，減少機械磨損，延長使用壽命；在需要絕緣的部位，可通過改性使其具備優異的電氣絕緣性能。隨著技術的不斷進步和對人形機器人性能要求的持續提高，高端工程塑料在機器人主體結構中的應用占比有望不斷攀升，成為構建人形機器人的核心材料之一。

碳纖維作為一種高性能材料，正憑借其獨特的性能優勢，在人形機器人領域發揮著不可替代的作用。碳纖維是以腈綸和粘膠纖維為原料，經過高溫氧化碳化工藝制成，其含碳量高達90%以上，具有高強度、高模量的特性。在耐高溫方面，碳纖維位居所有化纖材料之首，同時還具備輕質高強、耐高溫、耐腐蝕、良好的導熱和導電性、優異的力學性能以及易加工和設計靈活性等諸多優點。

在人形機器人的機械臂制造中，碳纖維復合材料得到了廣泛應用。以制作相同強度的機械手臂為例，選用碳纖維復合材料（CFRP）能夠將機械手臂的總質量有效控制在5-15kg。這不僅顯著減輕了機械臂的重量，降低了對動力系統的要求，還提高了機械臂的運動速度和靈活性。較輕的機械臂在運動過程中慣性更小，能夠更快速、精準地完成各種操作任務，在工業生產、物流搬運以及醫療輔助等領域具有巨大的應用潛力。隨著人形機器人在各個領域的應用不斷拓展，對于輕量化、高性能機械結構的需求日益增長，碳纖維材料必將迎來更廣闊的市場空間。

電子皮膚作為一種致力于模擬并超越人類皮膚功能的可穿戴柔性仿生傳感器，在人形機器人實現智能交互方面扮演著核心角色。一般而言，電子皮膚由電極、介電材料、活性功能層以及柔性基材組成。其中，柔性觸覺傳感器是電子皮膚的關鍵組成部分，它能夠精準檢測與環境接觸時的力、溫度、濕度、震動、材質以及軟硬等多種特性。這些豐富的感知信息使得機器人能夠像人類一樣直接感知周圍環境的變化，為智能化的人形機器人實現產業化落地提供了有力支持。

2022年全球柔性觸覺傳感器市場規模約為15.34億美元，預計到2029年將增長至53.22億美元，2022-2029年期間的年復合增長率（CAGR）高達17.9%。這一數據充分顯示了該領域的巨大發展潛力。與此同時，柔性基材作為承載電子皮膚并確保其與生物皮膚或其他材料相容的關鍵部分，也迎來了顯著的增量需求。具有理想柔韌彈性與力學強度的新型柔性高分子薄膜材料能夠很好地滿足這一需求。目前，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酰亞胺（PI）薄膜是最為常用的基底材料，它們具有良好的柔韌性、化學穩定性以及與其他材料的兼容性，能夠為電子皮膚的性能發揮提供穩定的支撐。隨著人形機器人智能化程度的不斷提高，對于電子皮膚材料的性能要求也將越來越高，相關企業和科研機構正不斷加大研發投入，推動電子皮膚材料向更高性能、更輕薄、更智能的方向發展。

圖表：全球柔性觸覺傳感器市場持續增長

數據來源：中研普華產業研究院整理

隨著人形機器人行業的快速發展，高端工程塑料、碳纖維和電子皮膚等材料憑借其獨特的性能優勢，在人形機器人的結構設計、運動性能提升以及智能交互實現等方面發揮著不可或缺的作用。這些材料的持續創新與應用拓展，將為人形機器人行業的進一步發展注入強大動力，推動其在更多領域實現廣泛應用，深刻改變人們的生產生活方式。