轻量化跨域赋能：从汽车到人形机器人，镁合金与特种工程塑料的成长新航道

在人形机器人商业化进程于 2025 年全面迈入 “量产元年” 的背景下，轻量化已成为突破续航瓶颈、提升运动精度、降低综合成本的核心技术路径。从材料革新维度看，镁合金与特种工程塑料凭借 “轻质高强” 的性能优势，正成为人形机器人轻量化浪潮中的关键支撑，且市场规模呈现爆发式增长态势：

在金属材料领域，镁合金作为 “减重王者”（密度仅为铝合金的 2/3、钢的 1/4），2025 年国内人形机器人领域用量已达139 吨，伴随特斯拉 Optimus、优必选等产品规模化落地，预计 2030 年将激增至1612.4 吨，远期百万台级销量下需求有望突破 2.78 万吨。其在关节结构、壳体等部件的渗透率快速提升，成为铝合金的重要替代方案。

在高分子材料领域，以聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、液晶聚合物（LCP）为代表的特种工程塑料，凭借 “以塑代钢” 的性能革命（如 PEEK 比强度是钢的 21 倍），2025 年国内人形机器人领域需求达33 吨，2030 年将飙升至383 吨，对应市场规模超 15 亿元；若远期人形机器人销量突破百万台，仅 PEEK 材料市场规模就有望达 6600 吨，空间超百亿。

在此产业背景下，2025 年镁合金与特种工程塑料在技术成熟度、成本竞争力和应用场景上实现多重突破：镁合金依托中国 85% 的全球原镁产能优势，在特斯拉、优必选等头部企业供应链中快速渗透；特种工程塑料则通过国产替代（如中研股份等企业技术突破）打破海外垄断。二者共同构成人形机器人轻量化的 “材料双引擎”，其崛起的产业逻辑与市场潜力，成为重塑行业竞争格局的关键变量。

一、人形机器人轻量化，降本增效的最优解

1.1 人形机器人快速发展，轻量化优势破解行业痛点

• 提升续航能力，优化能效表现：轻量化设计通过降低机器人自身质量，可直接减少其运动中克服重力势能的能耗，同时降低部件运动惯性，从而有效减少机器人在静态维持姿态和动态运动过程中的能量消耗，最终在相同电池容量下实现更长续航时间。

• 缓解散热压力，简化系统设计：轻量化能减轻电机、减速器等核心驱动部件的负载，减少运行发热量，无需过度依赖复杂散热系统，助力结构设计简化。

• 降低性能依赖，减轻供应链压力：轻量化可降低对关键零部件的性能要求，如轴承、连接件的承重与摩擦损耗会相应减少，驱动电机的功率需求也可下调，这有助于拓宽供应链选择范围，还可能降低核心部件的采购成本与技术门槛。

• 增强操作灵活性与场景适用性：轻量化能大幅改善人形机器人的搬运性，使其从需多人协作转变为可单人操作，解决了多数原型机因体型笨重导致的运动失衡、摔倒等稳定性问题，更利于在家庭、工厂等场景中实际部署推广。

1.2 人形机器人轻量化成行业大势，主流厂商已落地实践

• 宇树科技：在人形机器人产品初始设计阶段就将轻量化作为核心考量。H1 整机重量 47 千克，G1 降至 35 千克，主要得益于系统性采用航空铝合金与碳纤维等高强度、低密度材料。具体应用中，两款机器人不仅主体结构大量使用轻质材料，所有连接结构也采用高强度铝合金（如 H1 的 6061-T6 和关键部位的 7075-T6），在减重的同时确保了结构强度与抗冲击性能；G1 的全关节中空走线设计，也体现了其在结构层面对轻量化与集成化的追求。

• 优必选：在 Walker 系列迭代中成功实现整机减重。Walker C 身高增加 33 厘米的同时整体重量较前代降低 20 千克，后续 Walker S2 身高增加 4 厘米又成功减重 6 千克，这主要依靠多种创新材料的系统化应用，包括全身刚柔异构材料的复合应用、航空级铝合金 3D 打印主骨架以及三维立体针织高弹纤维材料等。

• 智元机器人：在产品迭代中通过系统性的轻量化设计实现整机重量大幅降低。初代远征 A1 人形机器人整机重量 55 千克，最新的灵犀 X2 型已显著降至 35-37 千克水平。

• 特斯拉：通过系统性轻量化设计显著提升第二代 Optimus 机器人的运动性能与能效。2023 年 12 月发布的第二代 Optimus 原型机，颈部增加两个运动自由度，同时应用轻量化材料、进行结构拓扑优化及减少冗余设计，成功将整机重量从初代的 73 千克降至 63 千克，降幅 13.7%；结合第二代关节更高的集成度与能效优化，机器人人行速度实现 30% 的性能提升。

1.3 轻量化路径多元，结构优化与材料替代共推方案落地

• 结构优化：通过参数优化、拓扑优化、形态优化与集成化设计实现 “零成本” 减重：

• • 参数优化和形态优化：调整零部件尺寸、布局与厚度，消除冗余材料。

  • 拓扑优化：在保证结构强度的前提下重新分布材料，实现减重增效。

  • 集成化设计：参考新能源汽车经验，将伺服驱动器、电机、减速器等关键部件高度集成于关节模组，或采用一体化压铸技术减少零部件数量，达成小型化与轻量化目标。

• 材料替代：结构优化受限于产业发展阶段，成为当前更可行的选择：

  产业处于技术快速迭代期，整机及零部件技术方案尚未定型，厂商难以全力投入长期结构优化；且轻量化是涉及整机设计、零部件性能与材料特性的系统工程，初创企业在人才与资源上存在不足，跨部门协同研发能力尚显薄弱，因此行业现阶段更倾向直接采用镁铝合金、工程塑料等低密度先进材料实现有效减重。

1.4 主流轻量化材料性能各有特点，复合材料是未来研究重点

• 基于传统材料与主流轻量化材料性能参数的综合对比，镁、铝合金及高性能工程塑料是当前阶段替代传统金属的主流方案，而复合材料有望成为未来人形机器人轻量化的重点研究方向：

• • 铝合金强度较低但成本可控；镁合金密度低、比强度高，在需兼顾重量与强度的结构件中具备比较优势。

  • 碳纤维材料在比强度和抗拉强度方面显著优于大部分其他材料，但受限于成本与工艺，尚未实现规模化应用。

  • PEEK 作为高性能工程塑料，密度低、比强度较高，但核心生产技术主要由国外企业掌握，国内仍依赖进口，应用成本高，难以大规模应用，因此复合材料仍需作为长期研发的重点方向投入。

二、铝合金为轻量化应用主力，镁合金有望成为材料新锐

2.1 汽车轻量化阶段目标清晰，技术路线愈发复杂

• 据中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》，汽车轻量化到 2035 年将具备更多样化的技术手段，助力汽车产品实现轻量化：

• • 2020-2025 年：构建完善的汽车用钢应用体系，掌握基于成本约束和工艺实现的结构 - 性能一体化设计方法，加快提升铝、镁合金、塑料及复合材料的性能，初步形成低成本车身覆盖件及薄壁件生产能力。

  • 2030 年：建立超轻铝合金、镁合金应用体系，掌握超轻铝合金、镁合金车身零件与结构件的设计方法；突破大尺寸挤压铝合金件、薄壁铸造铝合金及镁合金件、车身覆盖件成形的工艺技术、过程质量控制方法和连接技术等；进一步完善高强度钢的低成本制造与应用体系，提升车用工程塑料、复合材料性能和成形效率。

  • 2035 年：建立汽车用复合材料应用体系，掌握车用复合材料零件参数化设计、一体化集成设计、高精度建模与性能预测方法和多向异性构件部件结构拓扑优化设计方法；突破复合材料零件高精度成形、性能控制、连接、服役性能和评价关键技术；完善低成本成形工艺与装备开发体系，形成轻量化多材料综合应用能力。

• 汽车轻量化技术主要通过结构优化设计、新型材料应用与先进制造工艺三大路径协同推进。随着汽车行业对轻量化的持续重视及研究投入，汽车轻量化设计的对象从简单变得复杂：

• • 结构设计层面：从早期的单一零部件尺寸与拓扑优化，逐步发展到总成级的一体化设计，并进一步扩展至系统及整车的参数化和多目标优化设计。

  • 材料应用层面：从钢、铝合金、镁合金等各向同性材料，逐步拓展至复合材料结构部件、多材料结构部件等各向异性部件的设计与应用。其中，铝合金凭借成熟的工艺体系与综合性价比，目前仍是轻量化应用的主力材料；镁合金则因其更低的密度和优异的性能，正逐渐成为轻量化领域的新兴研究方向。

2.2 铝合金仍是应用主力，镁合金成轻量化新势力

• 据 Ducker Frontier 测算，2022 年至 2026 年，镁合金在汽车上的应用将实现从无到有的突破；先进高强度钢占比将从 12% 上升至 14%，普通钢将从 24% 降至 22%；铝合金占比稳定在 12%；聚合物与复合材料、铸铁、玻璃等材料比例基本维持不变。

• 铝合金已成为汽车轻量化的关键材料，在传统燃油车和新能源汽车中应用广泛。根据加工工艺差异，汽车用铝合金主要分为轧制材、挤压材、锻造材、铸造铝合金四大类，其中铸铝占比最高，约为 77%，主要应用于发动机零部件、壳体类及底盘结构件；变形铝合金合计占比约 23%，主要用于车身面板与结构件。在新能源汽车领域，铝合金应用已覆盖车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池和座椅。

2.2 铝合金仍为应用主力，镁合金成轻量化新锐

• 整车中车轮、动力总成和车身是用铝量较大的零部件。据 Ducker Frontier 测算，2022 年北美单车用铝量约 202Kg；其中车轮、动力总成、车身覆盖件用铝量分别为 41Kg、31Kg、28Kg，占比分别为 20.3%、15.35%、13.86%；传动系统、内饰件、制动系统、转向系统用铝量分别为 1Kg、1Kg、4Kg、4Kg，占比分别为 0.5%、0.5%、1.98%、1.98%。

• 汽车领域镁合金替代铝合金的空间值得关注。镁合金在汽车零部件的应用主要涵盖壳体类与支架类：壳体类包含离合器壳体、变速器壳体、仪表板等，因镁合金阻尼衰减能力出色，用于制造这类零部件可降低汽车运行噪声；支架类有转向支架、转向盘、制动器、制动支架、车轮毂等，镁合金抗冲击韧性好，减损量超过铝合金和钢铁，制造支架类零部件能提升汽车的平衡性、安全性与舒适性。

• 汽车采用镁合金的减重效果显著，合金钢变速箱壳体换成镁合金，减重超 28%；像阀门开关这类大型复杂结构件，减重超 60%；汽车座椅支架减重超 64%，后车厢门减重超 42%，轮毅减重超 33%。

2.3 镁合金综合性能较优，是轻量化理想材料

• 在轻量化材料体系里，镁合金相较于铝合金具有性能优势，其密度仅为铝合金的 2/3、钢铁的 1/4。

• • 镁合金比强度高于铝合金和钢铁，所以在不降低零部件强度的前提下，使用镁合金可减轻零部件重量。虽然镁合金比重比塑料大，但单位重量的强度高于塑料，所以在零部件强度相同的情况下，镁合金零部件能做得更薄更轻。

  • 镁合金可吸收的冲击能量比铝合金多 50%，能有效抑制振动、延长机械寿命，因此常应用于汽车零部件的壳体或支架。

  • 镁合金导热系数约为铝合金的 50%，相比铝合金散热片，镁合金散热片根部与顶部可形成较大空气温差，加速空气对流，提升散热效率，故而多用于汽车车灯散热架、仪表盘骨架等对散热性能要求高的零部件。

  • 镁合金是优质压铸材料，流动性好且凝固速度快，热容量低，与生产同等铝合金铸件相比，生产效率高 40%-50%，且铸件尺寸稳定、精度高、表面光洁度佳。

2.4 镁合金成本下探，性价比有望提升

• 当前市场环境下，镁合金的成本优势逐渐显现。星源卓镁招股说明书显示，当镁合金与铝合金的价格比小于 1.5 时，镁合金会被用于替代铝合金；当该比例小于 1.3 时，其在可替代铝合金的领域会大量应用。从市场价格走势看，镁价自 2021 年从高位回落震荡后进入相对低位区间，2024 年年末至今已低于铝价。截至 2025 年 10 月，镁铝价格比为 0.85，镁合金作为轻量化材料的性价比有望进一步提升。

2.5 航空铝材助众擎 SE 01 亮相，Atlas 借铝合金实现腿部大幅减重

• 众擎机器人 SE 01 人形机器人机身采用航空级铝材，身高 170 厘米，整机净重 55 公斤，全身有 32 个自由度，常态下行走速度为 2 米每秒，电池续航两小时，使用寿命 10 年。

• 波士顿动力 Atlas 改用 7075 铝合金后，腿部结构重量从 38 公斤降至 12 公斤。

2.6 埃斯顿镁合金机器人减重显著，本田 ASIMO 行走与奔跑速度双突破

• 埃斯顿镁合金机器人 ER4-550-MI 以镁合金为主体材质，在结构相同的情况下，零部件重量较铝合金版本降低约 33%，整机减重 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 由轻质合金制成，外壳为镁合金材质，步行速度从 1.6km/h 提升至 2.5km/h，最大奔跑速度达 3km/h。

2.7 人形机器人全球市场加速发展，铝、镁合金市场潜力巨大

• 我们预计，到 2030 年人形机器人数量将达 205.0 万台，市场规模将达 2,870.3 亿元。2025 年至 2030 年，全球人形机器人市场规模将从 97.8 亿元增长至 2,870.3 亿元，年复合增长率为 130.2%。

• 其中，2030 年全球人形机器人领域铝合金市场规模有望达 100.86 亿元，镁合金市场规模有望达 36.89 亿元。

2.8、众多汽车零部件企业把握轻量化机遇，积极布局人形机器人领域

三、以塑代钢，轻量化的关键路径

3.1 塑料品类多样，持续构成以塑代钢的发展路径

• 塑料品类丰富，按理化特性可分为热固性塑料和热塑性塑料两大类。业内一般依据综合性能和长期使用温度，从低到高将热塑性塑料分为通用塑料、工程塑料和特种工程塑料。

• • 通用塑料如 ABS、PVC、PP 等，生产规模大、价格低廉，但性能相对较低。

  • 工程塑料性能出色，具备良好的机械性能、100℃以上的耐热性和化学稳定性，逐渐成为替代传统金属材料、满足多样化工业需求的关键材料，在全球工程塑料市场中 ABS 占比最高，达 38.1%。

  • 特种工程塑料性能卓越，属于塑料中的高端产品，耐热性高于工程塑料，可在 150℃以上高温下长时间使用，但因成本过高，大规模应用受到制约。

• 工程塑料的薄壁化与高性能化是我国汽车 “以塑代钢” 的发展路径。根据《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》，薄壁化是核心突破方向，汽车零部件厚度目标将从 2020 年的 2.3 毫米逐步降至 2035 年的 1.6 毫米，同期减重目标提升至 10%-14%，且要求在减重的同时保持综合成本基本不变，典型应用涵盖保险杠、车门内护板等部件。技术层面，需从研究工程塑料流动性等核心工艺，逐步发展到掌握结构 - 材料 - 工艺一体化设计技术。

3.2 轻量化已有相关材料应用，特种工程塑料有望进一步加码此领域

• 目前，部分塑料已成为汽车轻量化的关键材料。在我国车用塑料中，PP、PU 和 PVC 使用最为广泛，占比分别为 21.1%、19.6% 和 12.2%，三者合计占比超 50%；PC、PE、PA 使用较少，占比分别为 2.6%、6.0% 和 7.8%，三者合计占比不足 20%。

• 目前，国内外各大人形机器人厂商已有将塑料作为人形机器人关键材料的案例，我们认为特种工程塑料如 PEEK、PPS、LCP 等有望进一步在人形机器人领域加码，加速行业轻量化进程。

3.3 特种工程塑料综合性能优异，是未来轻量化关键材料

• 特种工程塑料凭借优异的综合性能，正逐步替代传统金属材料，成为人形机器人轻量化的关键路径。在强度相近的条件下，工程塑料的密度可比金属材料降低 50% 至 70%，部分材料在耐腐蚀性、抗疲劳性等方面也展现出显著优势。

• • 聚醚醚酮（PEEK）：凭借高强度与耐热性，在关节部件中展现显著减重效果，应用后可使关节部件减重约 30%。

  • 聚苯硫醚（PPS）：适用于机器人骨架及耐磨运动部件，热变形温度超过 260℃，可在 220℃下长期稳定使用，且耐化学腐蚀性极佳，能使结构件减重 30%-40%。

  • 液晶聚合物（LCP）：以低介电特性与高尺寸稳定性，被应用于伺服电机连接器等高频信号传输部件，可使结构件减重 30%-50%。

3.4 PEEK 综合性能高度均衡，为顶级热塑性工程塑料

• PEEK 在工程塑料中展现出高度均衡的综合性能，是全球综合性能最好的热塑性工程塑料之一。

• 性能优于普通金属：比强度大，在满足强度要求的前提下可大幅减轻自重，成为轻量化解决方案；同时在绝缘性、耐化学性方面也优于普通金属。

• 耐高温与耐磨阻燃：长期使用温度高，导热系数适宜，且具备自阻燃性，无需添加阻燃剂即可达到 UL94V-0 最高阻燃等级，在 250℃高温环境下仍能保持稳定耐磨性能。

• 化学稳定性卓越：对各类化学药品耐腐蚀性优异，吸水率极低（23℃饱和吸水率仅 0.4%），可在 200℃高压热水和蒸汽环境中长期使用，耐水解性能出色。

• 加工特性优异：支持注塑成型、挤出成型和切削加工等多种加工方式，为其在机器人精密结构件中的规模化应用创造有利条件。

3.5 原材料是 PEEK 成本的核心来源，氟酮为最核心的单体

• PEEK 产业链上游的核心成本制约环节在于原材料氟酮（DFBP），它是合成 PEEK 最核心的单体，成本约占 PEEK 粗粉总成本的 50%，价格波动直接传导至下游；且 DFBP 的产品质量对 PEEK 树脂的机械性能与耐热性具有决定性影响。从供给格局看，全球 DFBP 规模化产能集中，中国是其原材料萤石的主要开采国，中欣氟材、新瀚新材等企业具备规模化供应能力，上海萤石资源的战略储备为供应链稳定性提供了基础。

3.6 国际巨头占据 PEEK 主要市场份额，国内企业逐步提升产能

• 2024 年，全球 PEEK 市场规模约 61 亿元，消费量约 1.6 万吨。市场仍由英国威格斯、比利时索尔维和德国赢创等国际巨头主导；国内企业中研股份、沃特股份、君华股份等正逐步提升产能，但行业技术壁垒高（树脂合成工艺复杂、生产线投资强度大，每千吨产能投资约 1.3 亿元，且客户认证周期长），成本与供应端的挑战仍是制约其在中高端领域大规模应用的重要因素。

• 全球 PEEK 市场呈寡头垄断格局，但国内企业正加速追赶。前三大企业英国威格斯、比利时索尔维、德国赢创占据主要份额；2024 年国内产能靠前的有山东君昊、盘锦伟英，山东君昊通过规模化生产降低成本，价格较进口产品低 30%，2024 年销售额突破 1.5 亿元，产能利用率超 80%；盘锦伟英由威格斯与营口兴福化工合资建设，价格较进口低 30%~40%，2024 年逐步释放产能，计划 2025 年新增 500 吨产能，正拓展氢能储运等新兴领域。

3.7 PPS 兼具热稳定与耐腐蚀等特性，日美中多元竞争实现产业化发展

• 聚苯硫醚（PPS）：是分子链含苯硫基的高性能热塑性树脂，热变形温度超 260℃，可在 220℃下长期稳定使用；耐化学腐蚀性优异，对酸、碱、盐溶液等溶剂稳定；密度仅 1.34-1.36g/cm³；自身为绝缘体，经改性后可成为半导体，且机械特性较高。应用广泛：凭借优异性能，广泛应用于电子电气、汽车、精密机械等领域，其中汽车和电子电器是全球最大应用领域，占比近 80%。

• 产业发展历程：由美国菲利普斯公司 1968 年率先工业化合成，1985 年专利到期后日本东丽、东洋纺等企业迅速进入并占据主导；中国 PPS 产业起步较晚，当前龙头为新和成，年产能达 2.2 万吨。

3.8 LCP 凭借高性能特性驱动高端应用，国产进程加速追赶日美龙头企业

• 液晶聚合物（LCP）因独特分子结构和综合性能，在高端制造领域占据重要地位。它是熔融态仍能保持分子取向有序的高性能热塑性聚合物，集高强度、高耐热性、低吸水率、优良阻燃性与电绝缘性、耐化学腐蚀及低介电常数等特性于一身，广泛应用于电子电器、航空航天、国防军工及光通讯等高新技术领域。根据液晶相形成条件，LCP 可分为溶致性（LLCP）和热致性（TLCP）两类，其中 TLCP 可通过注塑、挤出等工艺成型，应用范围远超仅适用于纤维和涂料的 LLCP。

• 全球 LCP 产能长期集中于日美企业，但国内厂商近年正加速追赶，产能占比持续提升。当前全球 LCP 产能主要由日本、美国企业主导，塞拉尼斯、宝理塑料、住友化学为行业龙头，现有产能分别约 2.2 万吨、2 万吨、1.7 万吨。相较而言，我国 LCP 产业起步较晚，但以金发科技、沃特股份、普利特为代表的国内企业产能建设进展显著，现有产能已分别达 0.6 万吨、0.5 万吨、1.0 万吨。随着在建产能持续投产，国产 LCP 材料的自给率与市场竞争力正稳步提升，为后续在各领域的渗透奠定了基础。

3.9 注塑件市场前景广阔，汽车零部件企业拓展人形机器人蓝海

• 人形机器人外壳系统可分为骨架结构件、外壳包覆以及连接件与紧固件，这些零部件需兼顾轻量化、高强度与可加工性，通常采用铝合金、碳纤维或工程塑料。其中，外壳包覆、连接器与紧固件常以工程塑料与碳纤维为制作材料，成本约 3500-6000 元。若按单台人形机器人注塑件价值量 5000 元计算，2030 年全球人形机器人对应注塑件市场规模有望达 102.5 亿元。

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