輕量化跨域賦能：從汽車到人形機器人，鎂合金與特種工程塑料的成長新航道

在人形機器人商業化進程于 2025 年全面邁入 “量產元年” 的背景下，輕量化已成為突破續航瓶頸、提升運動精度、降低綜合成本的核心技術路徑。從材料革新維度看，鎂合金與特種工程塑料憑借 “輕質高強” 的性能優勢，正成為人形機器人輕量化浪潮中的關鍵支撐，且市場規模呈現爆發式增長態勢：

在金屬材料領域，鎂合金作為 “減重王者”（密度僅為鋁合金的 2/3、鋼的 1/4），2025 年國內人形機器人領域用量已達139 噸，伴隨特斯拉 Optimus、優必選等產品規模化落地，預計 2030 年將激增至1612.4 噸，遠期百萬臺級銷量下需求有望突破 2.78 萬噸。其在關節結構、殼體等部件的滲透率快速提升，成為鋁合金的重要替代方案。

在高分子材料領域，以聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、液晶聚合物（LCP）為代表的特種工程塑料，憑借 “以塑代鋼” 的性能革命（如 PEEK 比強度是鋼的 21 倍），2025 年國內人形機器人領域需求達33 噸，2030 年將飆升至383 噸，對應市場規模超 15 億元；若遠期人形機器人銷量突破百萬臺，僅 PEEK 材料市場規模就有望達 6600 噸，空間超百億。

在此產業背景下，2025 年鎂合金與特種工程塑料在技術成熟度、成本競爭力和應用場景上實現多重突破：鎂合金依托中國 85% 的全球原鎂產能優勢，在特斯拉、優必選等頭部企業供應鏈中快速滲透；特種工程塑料則通過國產替代（如中研股份等企業技術突破）打破海外壟斷。二者共同構成人形機器人輕量化的 “材料雙引擎”，其崛起的產業邏輯與市場潛力，成為重塑行業競爭格局的關鍵變量。

一、人形機器人輕量化，降本增效的最優解

1.1 人形機器人快速發展，輕量化優勢破解行業痛點

• 提升續航能力，優化能效表現：輕量化設計通過降低機器人自身質量，可直接減少其運動中克服重力勢能的能耗，同時降低部件運動慣性，從而有效減少機器人在靜態維持姿態和動態運動過程中的能量消耗，最終在相同電池容量下實現更長續航時間。

• 緩解散熱壓力，簡化系統設計：輕量化能減輕電機、減速器等核心驅動部件的負載，減少運行發熱量，無需過度依賴復雜散熱系統，助力結構設計簡化。

• 降低性能依賴，減輕供應鏈壓力：輕量化可降低對關鍵零部件的性能要求，如軸承、連接件的承重與摩擦損耗會相應減少，驅動電機的功率需求也可下調，這有助于拓寬供應鏈選擇范圍，還可能降低核心部件的采購成本與技術門檻。

• 增強操作靈活性與場景適用性：輕量化能大幅改善人形機器人的搬運性，使其從需多人協作轉變為可單人操作，解決了多數原型機因體型笨重導致的運動失衡、摔倒等穩定性問題，更利于在家庭、工廠等場景中實際部署推廣。

1.2 人形機器人輕量化成行業大勢，主流廠商已落地實踐

• 宇樹科技：在人形機器人產品初始設計階段就將輕量化作為核心考量。H1 整機重量 47 千克，G1 降至 35 千克，主要得益于系統性采用航空鋁合金與碳纖維等高強度、低密度材料。具體應用中，兩款機器人不僅主體結構大量使用輕質材料，所有連接結構也采用高強度鋁合金（如 H1 的 6061-T6 和關鍵部位的 7075-T6），在減重的同時確保了結構強度與抗沖擊性能；G1 的全關節中空走線設計，也體現了其在結構層面對輕量化與集成化的追求。

• 優必選：在 Walker 系列迭代中成功實現整機減重。Walker C 身高增加 33 厘米的同時整體重量較前代降低 20 千克，后續 Walker S2 身高增加 4 厘米又成功減重 6 千克，這主要依靠多種創新材料的系統化應用，包括全身剛柔異構材料的復合應用、航空級鋁合金 3D 打印主骨架以及三維立體針織高彈纖維材料等。

• 智元機器人：在產品迭代中通過系統性的輕量化設計實現整機重量大幅降低。初代遠征 A1 人形機器人整機重量 55 千克，最新的靈犀 X2 型已顯著降至 35-37 千克水平。

• 特斯拉：通過系統性輕量化設計顯著提升第二代 Optimus 機器人的運動性能與能效。2023 年 12 月發布的第二代 Optimus 原型機，頸部增加兩個運動自由度，同時應用輕量化材料、進行結構拓撲優化及減少冗余設計，成功將整機重量從初代的 73 千克降至 63 千克，降幅 13.7%；結合第二代關節更高的集成度與能效優化，機器人人行速度實現 30% 的性能提升。

1.3 輕量化路徑多元，結構優化與材料替代共推方案落地

• 結構優化：通過參數優化、拓撲優化、形態優化與集成化設計實現 “零成本” 減重：

• • 參數優化和形態優化：調整零部件尺寸、布局與厚度，消除冗余材料。

  • 拓撲優化：在保證結構強度的前提下重新分布材料，實現減重增效。

  • 集成化設計：參考新能源汽車經驗，將伺服驅動器、電機、減速器等關鍵部件高度集成于關節模組，或采用一體化壓鑄技術減少零部件數量，達成小型化與輕量化目標。

• 材料替代：結構優化受限于產業發展階段，成為當前更可行的選擇：

  產業處于技術快速迭代期，整機及零部件技術方案尚未定型，廠商難以全力投入長期結構優化；且輕量化是涉及整機設計、零部件性能與材料特性的系統工程，初創企業在人才與資源上存在不足，跨部門協同研發能力尚顯薄弱，因此行業現階段更傾向直接采用鎂鋁合金、工程塑料等低密度先進材料實現有效減重。

1.4 主流輕量化材料性能各有特點，復合材料是未來研究重點

• 基于傳統材料與主流輕量化材料性能參數的綜合對比，鎂、鋁合金及高性能工程塑料是當前階段替代傳統金屬的主流方案，而復合材料有望成為未來人形機器人輕量化的重點研究方向：

• • 鋁合金強度較低但成本可控；鎂合金密度低、比強度高，在需兼顧重量與強度的結構件中具備比較優勢。

  • 碳纖維材料在比強度和抗拉強度方面顯著優于大部分其他材料，但受限于成本與工藝，尚未實現規模化應用。

  • PEEK 作為高性能工程塑料，密度低、比強度較高，但核心生產技術主要由國外企業掌握，國內仍依賴進口，應用成本高，難以大規模應用，因此復合材料仍需作為長期研發的重點方向投入。

二、鋁合金為輕量化應用主力，鎂合金有望成為材料新銳

2.1 汽車輕量化階段目標清晰，技術路線愈發復雜

• 據中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》，汽車輕量化到 2035 年將具備更多樣化的技術手段，助力汽車產品實現輕量化：

• • 2020-2025 年：構建完善的汽車用鋼應用體系，掌握基于成本約束和工藝實現的結構 - 性能一體化設計方法，加快提升鋁、鎂合金、塑料及復合材料的性能，初步形成低成本車身覆蓋件及薄壁件生產能力。

  • 2030 年：建立超輕鋁合金、鎂合金應用體系，掌握超輕鋁合金、鎂合金車身零件與結構件的設計方法；突破大尺寸擠壓鋁合金件、薄壁鑄造鋁合金及鎂合金件、車身覆蓋件成形的工藝技術、過程質量控制方法和連接技術等；進一步完善高強度鋼的低成本制造與應用體系，提升車用工程塑料、復合材料性能和成形效率。

  • 2035 年：建立汽車用復合材料應用體系，掌握車用復合材料零件參數化設計、一體化集成設計、高精度建模與性能預測方法和多向異性構件部件結構拓撲優化設計方法；突破復合材料零件高精度成形、性能控制、連接、服役性能和評價關鍵技術；完善低成本成形工藝與裝備開發體系，形成輕量化多材料綜合應用能力。

• 汽車輕量化技術主要通過結構優化設計、新型材料應用與先進制造工藝三大路徑協同推進。隨著汽車行業對輕量化的持續重視及研究投入，汽車輕量化設計的對象從簡單變得復雜：

• • 結構設計層面：從早期的單一零部件尺寸與拓撲優化，逐步發展到總成級的一體化設計，并進一步擴展至系統及整車的參數化和多目標優化設計。

  • 材料應用層面：從鋼、鋁合金、鎂合金等各向同性材料，逐步拓展至復合材料結構部件、多材料結構部件等各向異性部件的設計與應用。其中，鋁合金憑借成熟的工藝體系與綜合性價比，目前仍是輕量化應用的主力材料；鎂合金則因其更低的密度和優異的性能，正逐漸成為輕量化領域的新興研究方向。

2.2 鋁合金仍是應用主力，鎂合金成輕量化新勢力

• 據 Ducker Frontier 測算，2022 年至 2026 年，鎂合金在汽車上的應用將實現從無到有的突破；先進高強度鋼占比將從 12% 上升至 14%，普通鋼將從 24% 降至 22%；鋁合金占比穩定在 12%；聚合物與復合材料、鑄鐵、玻璃等材料比例基本維持不變。

• 鋁合金已成為汽車輕量化的關鍵材料，在傳統燃油車和新能源汽車中應用廣泛。根據加工工藝差異，汽車用鋁合金主要分為軋制材、擠壓材、鍛造材、鑄造鋁合金四大類，其中鑄鋁占比最高，約為 77%，主要應用于發動機零部件、殼體類及底盤結構件；變形鋁合金合計占比約 23%，主要用于車身面板與結構件。在新能源汽車領域，鋁合金應用已覆蓋車身、車輪、底盤、防撞梁、地板、動力電池和座椅。

2.2 鋁合金仍為應用主力，鎂合金成輕量化新銳

• 整車中車輪、動力總成和車身是用鋁量較大的零部件。據 Ducker Frontier 測算，2022 年北美單車用鋁量約 202Kg；其中車輪、動力總成、車身覆蓋件用鋁量分別為 41Kg、31Kg、28Kg，占比分別為 20.3%、15.35%、13.86%；傳動系統、內飾件、制動系統、轉向系統用鋁量分別為 1Kg、1Kg、4Kg、4Kg，占比分別為 0.5%、0.5%、1.98%、1.98%。

• 汽車領域鎂合金替代鋁合金的空間值得關注。鎂合金在汽車零部件的應用主要涵蓋殼體類與支架類：殼體類包含離合器殼體、變速器殼體、儀表板等，因鎂合金阻尼衰減能力出色，用于制造這類零部件可降低汽車運行噪聲；支架類有轉向支架、轉向盤、制動器、制動支架、車輪轂等，鎂合金抗沖擊韌性好，減損量超過鋁合金和鋼鐵，制造支架類零部件能提升汽車的平衡性、安全性與舒適性。

• 汽車采用鎂合金的減重效果顯著，合金鋼變速箱殼體換成鎂合金，減重超 28%；像閥門開關這類大型復雜結構件，減重超 60%；汽車座椅支架減重超 64%，后車廂門減重超 42%，輪毅減重超 33%。

2.3 鎂合金綜合性能較優，是輕量化理想材料

• 在輕量化材料體系里，鎂合金相較于鋁合金具有性能優勢，其密度僅為鋁合金的 2/3、鋼鐵的 1/4。

• • 鎂合金比強度高于鋁合金和鋼鐵，所以在不降低零部件強度的前提下，使用鎂合金可減輕零部件重量。雖然鎂合金比重比塑料大，但單位重量的強度高于塑料，所以在零部件強度相同的情況下，鎂合金零部件能做得更薄更輕。

  • 鎂合金可吸收的沖擊能量比鋁合金多 50%，能有效抑制振動、延長機械壽命，因此常應用于汽車零部件的殼體或支架。

  • 鎂合金導熱系數約為鋁合金的 50%，相比鋁合金散熱片，鎂合金散熱片根部與頂部可形成較大空氣溫差，加速空氣對流，提升散熱效率，故而多用于汽車車燈散熱架、儀表盤骨架等對散熱性能要求高的零部件。

  • 鎂合金是優質壓鑄材料，流動性好且凝固速度快，熱容量低，與生產同等鋁合金鑄件相比，生產效率高 40%-50%，且鑄件尺寸穩定、精度高、表面光潔度佳。

2.4 鎂合金成本下探，性價比有望提升

• 當前市場環境下，鎂合金的成本優勢逐漸顯現。星源卓鎂招股說明書顯示，當鎂合金與鋁合金的價格比小于 1.5 時，鎂合金會被用于替代鋁合金；當該比例小于 1.3 時，其在可替代鋁合金的領域會大量應用。從市場價格走勢看，鎂價自 2021 年從高位回落震蕩后進入相對低位區間，2024 年年末至今已低于鋁價。截至 2025 年 10 月，鎂鋁價格比為 0.85，鎂合金作為輕量化材料的性價比有望進一步提升。

2.5 航空鋁材助眾擎 SE 01 亮相，Atlas 借鋁合金實現腿部大幅減重

• 眾擎機器人 SE 01 人形機器人機身采用航空級鋁材，身高 170 厘米，整機凈重 55 公斤，全身有 32 個自由度，常態下行走速度為 2 米每秒，電池續航兩小時，使用壽命 10 年。

• 波士頓動力 Atlas 改用 7075 鋁合金后，腿部結構重量從 38 公斤降至 12 公斤。

2.6 埃斯頓鎂合金機器人減重顯著，本田 ASIMO 行走與奔跑速度雙突破

• 埃斯頓鎂合金機器人 ER4-550-MI 以鎂合金為主體材質，在結構相同的情況下，零部件重量較鋁合金版本降低約 33%，整機減重 11%；性能上，高速性能提升 5%，功耗降低 10%。

• 日本本田公司第 3 代 ASIMO 由輕質合金制成，外殼為鎂合金材質，步行速度從 1.6km/h 提升至 2.5km/h，最大奔跑速度達 3km/h。

2.7 人形機器人全球市場加速發展，鋁、鎂合金市場潛力巨大

• 我們預計，到 2030 年人形機器人數量將達 205.0 萬臺，市場規模將達 2,870.3 億元。2025 年至 2030 年，全球人形機器人市場規模將從 97.8 億元增長至 2,870.3 億元，年復合增長率為 130.2%。

• 其中，2030 年全球人形機器人領域鋁合金市場規模有望達 100.86 億元，鎂合金市場規模有望達 36.89 億元。

2.8、眾多汽車零部件企業把握輕量化機遇，積極布局人形機器人領域

三、以塑代鋼，輕量化的關鍵路徑

3.1 塑料品類多樣，持續構成以塑代鋼的發展路徑

• 塑料品類豐富，按理化特性可分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩大類。業內一般依據綜合性能和長期使用溫度，從低到高將熱塑性塑料分為通用塑料、工程塑料和特種工程塑料。

• • 通用塑料如 ABS、PVC、PP 等，生產規模大、價格低廉，但性能相對較低。

  • 工程塑料性能出色，具備良好的機械性能、100℃以上的耐熱性和化學穩定性，逐漸成為替代傳統金屬材料、滿足多樣化工業需求的關鍵材料，在全球工程塑料市場中 ABS 占比最高，達 38.1%。

  • 特種工程塑料性能卓越，屬于塑料中的高端產品，耐熱性高于工程塑料，可在 150℃以上高溫下長時間使用，但因成本過高，大規模應用受到制約。

• 工程塑料的薄壁化與高性能化是我國汽車 “以塑代鋼” 的發展路徑。根據《節能與新能源汽車技術路線圖 2.0》，薄壁化是核心突破方向，汽車零部件厚度目標將從 2020 年的 2.3 毫米逐步降至 2035 年的 1.6 毫米，同期減重目標提升至 10%-14%，且要求在減重的同時保持綜合成本基本不變，典型應用涵蓋保險杠、車門內護板等部件。技術層面，需從研究工程塑料流動性等核心工藝，逐步發展到掌握結構 - 材料 - 工藝一體化設計技術。

3.2 輕量化已有相關材料應用，特種工程塑料有望進一步加碼此領域

• 目前，部分塑料已成為汽車輕量化的關鍵材料。在我國車用塑料中，PP、PU 和 PVC 使用最為廣泛，占比分別為 21.1%、19.6% 和 12.2%，三者合計占比超 50%；PC、PE、PA 使用較少，占比分別為 2.6%、6.0% 和 7.8%，三者合計占比不足 20%。

• 目前，國內外各大人形機器人廠商已有將塑料作為人形機器人關鍵材料的案例，我們認為特種工程塑料如 PEEK、PPS、LCP 等有望進一步在人形機器人領域加碼，加速行業輕量化進程。

3.3 特種工程塑料綜合性能優異，是未來輕量化關鍵材料

• 特種工程塑料憑借優異的綜合性能，正逐步替代傳統金屬材料，成為人形機器人輕量化的關鍵路徑。在強度相近的條件下，工程塑料的密度可比金屬材料降低 50% 至 70%，部分材料在耐腐蝕性、抗疲勞性等方面也展現出顯著優勢。

• • 聚醚醚酮（PEEK）：憑借高強度與耐熱性，在關節部件中展現顯著減重效果，應用后可使關節部件減重約 30%。

  • 聚苯硫醚（PPS）：適用于機器人骨架及耐磨運動部件，熱變形溫度超過 260℃，可在 220℃下長期穩定使用，且耐化學腐蝕性極佳，能使結構件減重 30%-40%。

  • 液晶聚合物（LCP）：以低介電特性與高尺寸穩定性，被應用于伺服電機連接器等高頻信號傳輸部件，可使結構件減重 30%-50%。

3.4 PEEK 綜合性能高度均衡，為頂級熱塑性工程塑料

• PEEK 在工程塑料中展現出高度均衡的綜合性能，是全球綜合性能最好的熱塑性工程塑料之一。

• 性能優于普通金屬：比強度大，在滿足強度要求的前提下可大幅減輕自重，成為輕量化解決方案；同時在絕緣性、耐化學性方面也優于普通金屬。

• 耐高溫與耐磨阻燃：長期使用溫度高，導熱系數適宜，且具備自阻燃性，無需添加阻燃劑即可達到 UL94V-0 最高阻燃等級，在 250℃高溫環境下仍能保持穩定耐磨性能。

• 化學穩定性卓越：對各類化學藥品耐腐蝕性優異，吸水率極低（23℃飽和吸水率僅 0.4%），可在 200℃高壓熱水和蒸汽環境中長期使用，耐水解性能出色。

• 加工特性優異：支持注塑成型、擠出成型和切削加工等多種加工方式，為其在機器人精密結構件中的規模化應用創造有利條件。

3.5 原材料是 PEEK 成本的核心來源，氟酮為最核心的單體

• PEEK 產業鏈上游的核心成本制約環節在于原材料氟酮（DFBP），它是合成 PEEK 最核心的單體，成本約占 PEEK 粗粉總成本的 50%，價格波動直接傳導至下游；且 DFBP 的產品質量對 PEEK 樹脂的機械性能與耐熱性具有決定性影響。從供給格局看，全球 DFBP 規模化產能集中，中國是其原材料螢石的主要開采國，中欣氟材、新瀚新材等企業具備規模化供應能力，上海螢石資源的戰略儲備為供應鏈穩定性提供了基礎。

3.6 國際巨頭占據 PEEK 主要市場份額，國內企業逐步提升產能

• 2024 年，全球 PEEK 市場規模約 61 億元，消費量約 1.6 萬噸。市場仍由英國威格斯、比利時索爾維和德國贏創等國際巨頭主導；國內企業中研股份、沃特股份、君華股份等正逐步提升產能，但行業技術壁壘高（樹脂合成工藝復雜、生產線投資強度大，每千噸產能投資約 1.3 億元，且客戶認證周期長），成本與供應端的挑戰仍是制約其在中高端領域大規模應用的重要因素。

• 全球 PEEK 市場呈寡頭壟斷格局，但國內企業正加速追趕。前三大企業英國威格斯、比利時索爾維、德國贏創占據主要份額；2024 年國內產能靠前的有山東君昊、盤錦偉英，山東君昊通過規模化生產降低成本，價格較進口產品低 30%，2024 年銷售額突破 1.5 億元，產能利用率超 80%；盤錦偉英由威格斯與營口興福化工合資建設，價格較進口低 30%~40%，2024 年逐步釋放產能，計劃 2025 年新增 500 噸產能，正拓展氫能儲運等新興領域。

3.7 PPS 兼具熱穩定與耐腐蝕等特性，日美中多元競爭實現產業化發展

• 聚苯硫醚（PPS）：是分子鏈含苯硫基的高性能熱塑性樹脂，熱變形溫度超 260℃，可在 220℃下長期穩定使用；耐化學腐蝕性優異，對酸、堿、鹽溶液等溶劑穩定；密度僅 1.34-1.36g/cm3；自身為絕緣體，經改性后可成為半導體，且機械特性較高。應用廣泛：憑借優異性能，廣泛應用于電子電氣、汽車、精密機械等領域，其中汽車和電子電器是全球最大應用領域，占比近 80%。

• 產業發展歷程：由美國菲利普斯公司 1968 年率先工業化合成，1985 年專利到期后日本東麗、東洋紡等企業迅速進入并占據主導；中國 PPS 產業起步較晚，當前龍頭為新和成，年產能達 2.2 萬噸。

3.8 LCP 憑借高性能特性驅動高端應用，國產進程加速追趕日美龍頭企業

• 液晶聚合物（LCP）因獨特分子結構和綜合性能，在高端制造領域占據重要地位。它是熔融態仍能保持分子取向有序的高性能熱塑性聚合物，集高強度、高耐熱性、低吸水率、優良阻燃性與電絕緣性、耐化學腐蝕及低介電常數等特性于一身，廣泛應用于電子電器、航空航天、國防軍工及光通訊等高新技術領域。根據液晶相形成條件，LCP 可分為溶致性（LLCP）和熱致性（TLCP）兩類，其中 TLCP 可通過注塑、擠出等工藝成型，應用范圍遠超僅適用于纖維和涂料的 LLCP。

• 全球 LCP 產能長期集中于日美企業，但國內廠商近年正加速追趕，產能占比持續提升。當前全球 LCP 產能主要由日本、美國企業主導，塞拉尼斯、寶理塑料、住友化學為行業龍頭，現有產能分別約 2.2 萬噸、2 萬噸、1.7 萬噸。相較而言，我國 LCP 產業起步較晚，但以金發科技、沃特股份、普利特為代表的國內企業產能建設進展顯著，現有產能已分別達 0.6 萬噸、0.5 萬噸、1.0 萬噸。隨著在建產能持續投產，國產 LCP 材料的自給率與市場競爭力正穩步提升，為后續在各領域的滲透奠定了基礎。

3.9 注塑件市場前景廣闊，汽車零部件企業拓展人形機器人藍海

• 人形機器人外殼系統可分為骨架結構件、外殼包覆以及連接件與緊固件，這些零部件需兼顧輕量化、高強度與可加工性，通常采用鋁合金、碳纖維或工程塑料。其中，外殼包覆、連接器與緊固件常以工程塑料與碳纖維為制作材料，成本約 3500-6000 元。若按單臺人形機器人注塑件價值量 5000 元計算，2030 年全球人形機器人對應注塑件市場規模有望達 102.5 億元。

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