WAIC觀點|人形機器人輕量化浪潮來襲

在本屆WAIC上，筆者發(fā)現(xiàn)，隨著人形機器人嘗試從實驗室走向工業(yè)現(xiàn)場、家庭服務、醫(yī)療手術等多元場景，小型化、輕量化已經成為一個重要的機器人以及產業(yè)鏈發(fā)展趨勢。因時機器人、靈心巧手、傲意、兆威機電都有更小的靈巧手面世，智元、宇樹、傅利葉、星動紀元等企業(yè)都有更小型化的機器人產品。

部分人形機器人展商為了吸引眼球，嘗試讓人形機器人走進人群中，在密集的人流中行走，雖然速度不快，但被鋼筋鐵骨打一下依然會痛感明顯，整體來看，隨著機器人應用場景從實驗室向家庭服務、工業(yè)車間等領域快速滲透，市場對機器人的性能要求日益嚴苛。輕量化與小型化技術作為提升機器人運動效率、拓展應用邊界的核心路徑，正成為行業(yè)競爭的焦點，更多廠商將小型化、輕量化已經提上了研發(fā)日程。

機器人通常可按照平臺重量劃分為微型機器人（≤10kg）、小型機器人（10kg~50kg）、輕型機器人（50kg~100kg）、中型機器人（100kg~500kg）、 重型機器人（500kg）等，目前人形機器人普遍處于輕型機器人階段，大多人形機器人重約70kg，但安全保障上并沒有太好的措施。因此，輕量化與小型化不僅改變著機器人的物理形態(tài)，更有望重塑整個行業(yè)的技術生態(tài)與市場格局。

正如高擎機電相關負責人對我們提到，“小型化”是一個極具前景的機器人的發(fā)展方向，其具備諸多優(yōu)勢，結構小而簡潔，整體小而靈巧，占用空間小，重量也輕，方便生產運輸以及開發(fā)者后續(xù)使用,小體積意味著未來使用場景廣，狹窄環(huán)境可通過性強，價格“小”，高性價比，致力于讓每一位開發(fā)者都能夠擁有自己的人形機器人。當然，性能不“小”，能力不“小”，自研高精度小體積關節(jié)模組輸出力矩大，連接穩(wěn)定，工作可靠，機器人整體魯棒性高，仿人體步態(tài)自然，多自由度關節(jié)可實現(xiàn)葉問蹲等諸多復雜動作。

同時，也有觀點提到，輕量化與小型化是人形機器人進化的必然選擇，因為機器人輕量化與小型化的驅動力源自應用場景的現(xiàn)實需求。在工業(yè)領域，傳統(tǒng)機械臂因自重過大導致能耗高、響應慢，難以適應柔性制造的快速切換需求；在家庭、服務場景中，過重的人形機器人若發(fā)生碰撞或傾倒，可能對人員造成安全威脅；從技術原理看，輕量化與小型化能夠系統(tǒng)性解決機器人的核心痛點。重量降低直接減少電機負載，使相同電池容量下的續(xù)航能力提升。同時，結構小型化則提升了空間利用率，為機器人實現(xiàn)類人化動作提供了物理基礎。更重要的是，輕量化材料的應用降低了對能源系統(tǒng)的依賴，這種“減重不減能” 的特性，讓機器人在精密裝配、服務等場景中具備了實用價值。

▍結構件優(yōu)化：從參數(shù)優(yōu)化到拓撲革命

隨著人形機器人從實驗室走向工業(yè)現(xiàn)場、家庭服務、醫(yī)療手術等多元場景，核心部件的革新是輕量化與小型化的微觀基礎，其中結構件作為支撐其運動性能與應用邊界的核心載體，正從產業(yè)鏈的“配角”轉變?yōu)椤昂诵母偁幜d體”，其技術突破速度將直接決定機器人產業(yè)的發(fā)展高度，正迎來前所未有的變革機遇。

筆者發(fā)現(xiàn)，本次WAIC就有恒工精密攜其在機器人產業(yè)鏈中的十余個關鍵產品矩陣重磅亮相，集中展示了面向人形機器人、四足機器人及精密減速機系統(tǒng)核心零部件的解決方案，也有高擎機電、脈塔智能、智元、魔法原子等公司展現(xiàn)了結構設計輕量化成果。

值得注意的是，輕量化與小型化并非簡單的“減重縮體”，而是需要在重量、強度、成本之間實現(xiàn)平衡。與部分公司的溝通中我們獲悉，輕量化技術的研究發(fā)展與突破不僅需要重塑結構件的設計邏輯，更要推動材料、工藝與產業(yè)鏈格局的深度重構，在機器人續(xù)航能力、運動靈活性與場景適應性的硬性需求驅動下，機器人結構件市場正從傳統(tǒng)金屬材料主導，開始向“材料創(chuàng)新+結構優(yōu)化+功能集成”的多元技術路徑演進，助推機器人結構件的研發(fā)周期縮短至約6個月，從而匹配整機廠商快速迭代的需求，未來增長空間廣闊。

機器人結構件的輕量化革命，始于對傳統(tǒng)設計邏輯的顛覆。參數(shù)優(yōu)化作為最直接的技術路徑，通過精準調整零部件尺寸、布局與厚度，在保證強度的前提下減少冗余材料。這種“量體裁衣"的思路，在工業(yè)機器人的臂展結構設計中已廣泛應用，通過強化關鍵連接件剛性，可減少部分輔助支撐部件，如今已經開始初步體現(xiàn)在人形機器人上。

從技術上來說，拓撲優(yōu)化技術的引入，進一步將結構輕量化推向精密化。因為這種通過算法優(yōu)化材料分布的方法，能在滿足力學性能的同時實現(xiàn)極致減重。北京人形機器人創(chuàng)新中心向記者介紹，在人形機器人領域，此前天工Ultra就主要通過胸部、腰部與四肢的拓撲重構，使核心結構件重量減輕，在維持強度前提下實現(xiàn)系統(tǒng)性減重，為其在馬拉松賽事中奪冠奠定基礎。當前，拓撲優(yōu)化已從單一零部件延伸至整機系統(tǒng)，例如波士頓動力Atlas機器人采用拓撲優(yōu)化的CFRP關節(jié)支架，重量較鋁合金減輕45%，彎曲模量達230GPa，支撐跳躍時10倍自重沖擊載荷。

集成化設計則為結構件輕量化提供了系統(tǒng)級解決方案。借鑒新能源汽車一體化壓鑄技術，機器人結構件正從“多部件組裝”向“模塊化集成”轉型。展商介紹，結構件這種化繁為簡的思路，不僅減少了連接件數(shù)量，更通過功能復用降低了系統(tǒng)能耗，相關展商對媒體介紹，宇樹科技機器人就采用碳纖維、鋁合金復合關節(jié)模組，將驅動與傳動功能集成后，單關節(jié)扭矩密度達到120N?m/kg，整機重量僅35kg，卻能完成復雜的肢體協(xié)調動作。

然而，結構輕量化的推進仍面臨技術瓶頸。當前人形機器人整機方案尚未形成統(tǒng)一標準，從電機+減速器的旋轉驅動到電機+絲杠的直線驅動，不同技術路徑對結構件的力學要求差異顯著，導致廠商難以集中資源突破共性技術。同時，結構設計需要跨學科的系統(tǒng)思維，而多數(shù)本體企業(yè)為初創(chuàng)公司，在材料學、力學仿真與制造工藝的協(xié)同能力上存在短板。這一現(xiàn)狀使得拓撲優(yōu)化等先進技術的規(guī)模化應用仍需時間，短期內參數(shù)優(yōu)化與材料替換仍是結構輕量化的主流選擇。

▍核心部件協(xié)同：結構件的功能集成趨勢

由于人形進入工業(yè)、服務等場景，展示更多功能特性，因此機器人結構件正從單純的承載者向功能載體進化，與電機、減速器等核心部件的集成化程度持續(xù)加深，這一趨勢重塑了結構件的設計邏輯與市場格局。例如關節(jié)模組作為運動控制的核心，其結構件大多已實現(xiàn)傳動+支撐+傳感的多功能融合，大多一體化成型的結構件，都設計了一體化關節(jié)和傳動部件的位置。

例如本次WAIC，我們從天鏈機器人處得知，其開發(fā)的一體化關節(jié)，在內嵌式伺服電機結構設計上進行了一系列優(yōu)化，創(chuàng)新性地將伺服電機與特制諧波減速機高度集成，較傳統(tǒng)分體式結構減重50%，體積縮減50%，扭矩密度提升至450Nm/kg，可實現(xiàn)360度連續(xù)旋轉。這種設計不僅減少了連接件數(shù)量，更通過結構件內部流道優(yōu)化，將散熱效率提升，解決了高功率密度下的溫升問題。

絲杠與導軌系統(tǒng)的結構創(chuàng)新同樣顯著。行星滾柱絲杠作為直線驅動的核心部件，其螺母與殼體的一體化設計成為輕量化關鍵。本次WAIC上，已經出現(xiàn)了指尖智擎科技有限公司、諾仕機器人等創(chuàng)新公司，其中筆者了解到，諾仕機器人的RVI反式行星滾珠絲杠系列螺距0.5mm起，結構更加堅固，而且具備高強度和無回隙等特征。

驅動系統(tǒng)與結構件的協(xié)同設計打破了傳統(tǒng)產業(yè)鏈分工。此前有消息提到，特斯拉Optimus Gen3的旋轉驅動器就采用電機-減速器-軸承一體化結構，其殼體采用連續(xù)碳纖維增強PEEK復合材料，通過注塑成型直接集成軸承座與電機定子槽，較鋁合金方案已經快速減重，而且裝配工序減少，但這種設計要求結構件供應商深度參與前期研發(fā)。

傳感器與結構件的融合則提升了機器人的環(huán)境感知能力。上海卓益得開發(fā)的行者二號機器人，據悉其腿部結構件內置光纖光柵傳感器，通過監(jiān)測應力分布實時調整步態(tài)，此前在馬拉松賽事中實現(xiàn)高續(xù)航，這種結構傳感一體化設計既要滿足力學性能，又須具備信號傳輸穩(wěn)定性。

小型化、集成化趨勢無疑正推動產業(yè)鏈重構，使得傳統(tǒng)結構件廠商向系統(tǒng)解決方案提供商轉型。但集成化也帶來新的挑戰(zhàn)。結構件與核心部件的深度綁定，導致設計變更的成本大幅上升，某頭部企業(yè)對我們表示，集成式關節(jié)殼體的改型成本是傳統(tǒng)分體式的數(shù)倍。同時，不同廠商的技術標準差異顯著，多家企業(yè)對結構件的接口要求截然不同，導致供應商需維持多套生產線，開多個磨具打樣。這一現(xiàn)狀推動結構件行業(yè)向模塊化發(fā)展，部分廠商正在嘗試推出標準化殼體接口，使結構件廠商可通過更換模具快速適配不同品牌核心部件，從而提升通用性。

▍場景需求帶來的人形機器材料革命

除了結構件優(yōu)化，現(xiàn)場企業(yè)對記者介紹，材料創(chuàng)新也是機器人結構件輕量化的核心驅動力。當前市場正經歷從以鋼為主到多元材料協(xié)同的轉型。雖然鋁合金作為傳統(tǒng)輕量化材料，憑借成熟的加工工藝與成本優(yōu)勢，仍是中小負載人形機器人的首選，而鎂合金正成為中高端機器人的新寵，其具備優(yōu)異的減震性與電磁屏蔽能力，同時，從經濟性看，當前鎂鋁價格比僅0.87，低于1.2-1.3的臨界值，使用鎂合金不僅能減重，還可降低材料成本。奧迪A8的鎂合金減震器支座橫撐已驗證其可靠性，這為機器人

結構件的規(guī)模化應用提供了參考，不過，鎂合金的抗腐蝕性短板仍需攻克。

本次WAIC上，力勁集團就宣布攜手深圳賽博格機器人有限公司、中國機械總院集團沈陽鑄造研究院有限公司、福建省鎂鑄輕量化研發(fā)中心有限公司、蘇州賽翡斯新材料科技有限公司共同簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，正式啟動鎂合金人形機器人聯(lián)合研發(fā)項目，開啟人形機器人輕量化制造的新紀元。

此外，有展商介紹，工程塑料的以塑代鋼進程正在加速。例如聚醚醚酮（PEEK）作為特種工程塑料的標桿，憑借高屈服強度與低密度，在高精度結構件中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，但其散熱性、結構匹配性仍然有待提升。有機構預測，全球PEEK市場規(guī)模正以8%的年復合增長率擴張，預計2024年達61億元，其中機器人領域的占比將從當前的5%提升至2027年的15%。

材料選擇的背后是場景需求的分化。因為人形機器人開始更多進入場景，需要更注重結構件的負載能力與成本控制，因此短時間鋁合金與鎂合金仍將主導，但由于家庭服務機器人對安全性與輕量化要求更高，例如傅利葉GR-3展示了外包皮膚用于家庭養(yǎng)老服務場景的可能性，這意味著未來尼龍與改性工程塑料的應用比例有望不斷提升，而這種差異化需求也正推動材料供應商向定制化轉型。

▍挑戰(zhàn)與機遇：結構件市場的未來展望

機器人結構件市場在快速發(fā)展的同時，也面臨著技術瓶頸與產業(yè)痛點的雙重制約。有展商提到，材料性能的平衡難題尤為突出，例如鎂合金的耐腐蝕性與強度難以兼顧，即使經過表面處理，在高濕度環(huán)境下的使用壽命仍比鋁合金短；碳纖維的軸向強度優(yōu)異，但橫向抗剪切能力較弱，在關節(jié)等復雜受力部位易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這些短板導致結構件設計往往需要犧牲部分性能，部分機器人企業(yè)手臂結構件為保證耐沖擊性，采用CF/PEEK復合材料與鋁合金的混合方案，雖解決了純碳纖維的脆性問題，卻使減重效果打了折扣。

也有展商指出，制造工藝的規(guī)模化瓶頸同樣顯著。拓撲優(yōu)化設計的結構件雖能實現(xiàn)輕量化，但傳統(tǒng)加工設備難以滿足復雜型腔的精度要求，五軸加工中心的良品率遠低于傳統(tǒng)結構件，達不到量產條件；3D打印技術雖能成型復雜結構，但速度慢、成本高，單件生產周期長達24小時，同樣難以滿足量產需求。這些矛盾推動工藝創(chuàng)新向混合制造方向發(fā)展，如先通過3D打印制作預成型坯，再經CNC精密加工修正尺寸，從而使拓撲優(yōu)化結構件的量產成本降低，為規(guī)模化應用奠定基礎。

有展商解釋，產業(yè)鏈協(xié)同不足也制約著技術進步，人形機器人廠商、結構件廠商與材料供應商的合作多停留在采購層面，缺乏對材料微觀結構的聯(lián)合研發(fā)，導致專用材料的開發(fā)滯后于市場需求；而整機企業(yè)對結構件的設計參數(shù)往往保密，使供應商難以提前布局針對性產品，這種信息壁壘延長了技術迭代周期。盡管挑戰(zhàn)重重，結構件市場的長期增長邏輯依然穩(wěn)固。有機構指出，從需求端看，2025年全球人形機器人預計出貨量達10萬臺，單機結構件價值量約5萬元，對應50億元市場規(guī)模。

輕量化與小型化將推動人形機器人向類人方向發(fā)展。因為機器人的發(fā)展革命，本質上是在機器人輕量化、小型化趨勢下的一場“效率與性能”平衡藝術，從實驗室的拓撲優(yōu)化模型到工廠的量產生產線，從鎂合金的成本優(yōu)勢到PEEK材料的性能極致，每一種技術選擇都折射出不同場景的需求優(yōu)先級。

從本屆WAIC來看，隨著人形機器人應用邊界、落地場景的不斷拓展，其技術突破不僅將提升機器人的運動能力，更將推動人類與機器人協(xié)同方式的根本變革，這正是輕量化、小型化在機器人產業(yè)中不可替代的價值所在。