2024年新材料產(chǎn)業(yè)深度報(bào)告：人形機(jī)器人帶來(lái)新材料機(jī)遇

2024年新材料產(chǎn)業(yè)深度報(bào)告：人形機(jī)器人帶來(lái)新材料機(jī)遇人形機(jī)器人飛速迭代進(jìn)化智能機(jī)器人發(fā)展日益蓬勃智能機(jī)器人，即具有主動(dòng)性的第一人稱(chēng)智能，本質(zhì)上是可以與環(huán)境交互感知，能自主規(guī)劃、決策、行動(dòng)，具有執(zhí)行能力的機(jī)器人。智能機(jī)器人的核心目標(biāo)是能夠聽(tīng)到人類(lèi)語(yǔ)言，然后分解任務(wù)，規(guī)劃子任務(wù)，在移動(dòng)中識(shí)別物體，與環(huán)境交互，最終完成相應(yīng)任務(wù)。自1968年美國(guó)斯坦福研究所公布第一代智能機(jī)器人Shakey以來(lái)，智能機(jī)器人發(fā)展日益蓬勃、方興未艾。全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模龐大機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模龐大。根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)《中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2022年）》指引，預(yù)計(jì)2022年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到513億美元，其中工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到195億美元，服務(wù)機(jī)器人達(dá)到217億美元，特種機(jī)器人達(dá)到101億美元。全球人形機(jī)器人未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。根據(jù)KBVResearch數(shù)據(jù)，2022年全球人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模為14億美元，到2030年該市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到396億美元，CAGR高達(dá)51.86%。具身通用智能機(jī)器人是機(jī)器人未來(lái)發(fā)展方向具身智能被視作人工智能的最終形態(tài)。具身智能是指一種基于物理身體進(jìn)行感知和行動(dòng)的智能系統(tǒng)，其通過(guò)智能體與環(huán)境的交互獲取信息、理解問(wèn)題、做出決策并實(shí)現(xiàn)行動(dòng)，從而產(chǎn)生智能行為和適應(yīng)性。相比一般機(jī)器人，人形機(jī)器人具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。人形機(jī)器人是指外觀和功能與人相似的智能機(jī)器人，比一般機(jī)器人具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。人形機(jī)器人是具身通用人工智能最理想的身體形式。未來(lái)的機(jī)器人需要真正做到和人一樣，通過(guò)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃決策（大腦）、運(yùn)動(dòng)控制（小腦）、主控系統(tǒng)、主干結(jié)構(gòu)及零部件的組合（類(lèi)似于人的一系列關(guān)節(jié)和肌肉）達(dá)成基于感知到的任務(wù)和環(huán)境進(jìn)行自主規(guī)劃-決策-行動(dòng)-執(zhí)行等一系列行為的目標(biāo)。TeslaBotTeslaBot橫空出世，人形機(jī)器人快速更新。2021年8月19日，在特斯拉首屆AIDay活動(dòng)中，馬斯克親自發(fā)布了概念機(jī)TeslaBot。按照馬斯克的設(shè)想，TeslaBot將由分布在機(jī)器人手臂、頸部、軀干、手掌、腿部的合計(jì)40個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用輕質(zhì)材料構(gòu)成主體，并擁有如人類(lèi)一般靈活的雙手。馬斯克認(rèn)為，TeslaBot將會(huì)從處理無(wú)聊、重復(fù)和危險(xiǎn)的事情開(kāi)始，逐步去實(shí)現(xiàn)其他更復(fù)雜任務(wù)。OptimusOptimus迭代進(jìn)化，有望量產(chǎn)且大幅降低成本。2022年9月30日，特斯拉在TeslaAIDay展示了人形機(jī)器人Optimus（擎天柱）的原型機(jī)版本，并在展示文檔中分享了大量技術(shù)細(xì)節(jié)。馬斯克認(rèn)為Optimus有望在3-5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，最終降本至2萬(wàn)美金一臺(tái)，從而普通家庭亦可購(gòu)買(mǎi)。Optimus具有極高自由度。Optimus全身共有40個(gè)關(guān)節(jié)，其中Optimus的四肢以及軀干部分合計(jì)有28個(gè)執(zhí)行器關(guān)節(jié)，包括14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器關(guān)節(jié)以及14個(gè)線性執(zhí)行器關(guān)節(jié)。而Optimus的一雙靈巧手則有12個(gè)執(zhí)行器關(guān)節(jié)，每只手具備11個(gè)自由度，可以進(jìn)行自適應(yīng)抓取，且具備反向鎖止功能。Optimus結(jié)構(gòu)及原材料拆解人形機(jī)器人包含四大核心技術(shù)模塊人形機(jī)器人主要包含四大核心技術(shù)模塊：環(huán)境感知模塊、智能AI芯片模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、操作系統(tǒng)模塊，其中前三大技術(shù)模塊與硬件有關(guān)。Optimus全身具有50個(gè)自由度Optimus全身有50個(gè)自由度，分布在各個(gè)身體部位。人形機(jī)器人的自由度需要執(zhí)行結(jié)構(gòu)達(dá)成，組成Optimus的14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、14個(gè)線性執(zhí)行器、靈巧手的多個(gè)空心杯關(guān)節(jié)為其帶來(lái)了50個(gè)自由度，使其不同身體部位能夠前擺(Pitch)、扭轉(zhuǎn)(Yaw)、側(cè)擺(Roll)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)每只靈巧手的11個(gè)自由度讓其能夠執(zhí)行更復(fù)雜的操作。Optimus成本拆分在Optimus整機(jī)的BOM中，F(xiàn)SD芯片及套件、六維力矩傳感器、行星滾柱絲杠、諧波減速器、無(wú)框電機(jī)價(jià)值量位列前五，分別占整機(jī)價(jià)值的比重為27.68%、19.77%、14.30%、11.53%、9.23%。六維力矩傳感器的核心是硅應(yīng)變片六維力矩傳感器屬于應(yīng)變片式傳感器，其主要組成部分包括彈性體(Elastomer)、硅應(yīng)變片、PCB板等。彈性體材料包括鋁合金、不銹鋼等；PCB板的核心是覆銅板，是將電子玻纖布或其它增強(qiáng)材料浸以樹(shù)脂，一面或雙面覆以銅箔并經(jīng)熱壓而制成的一種板狀材料；這些部分價(jià)值較為便宜。硅應(yīng)變片是傳感器的核心，也是其價(jià)值的主要組成部分。硅應(yīng)變片是將單晶硅切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在聚酰亞胺的襯底上制成的，其關(guān)鍵是通過(guò)測(cè)量硅的體積變化帶來(lái)電阻的變化，采集并計(jì)算以后得到力的大小。硅應(yīng)變片材料成本較低，但導(dǎo)致其價(jià)格高昂的原因是對(duì)應(yīng)變精準(zhǔn)測(cè)量采集的技術(shù)和加工工藝。截止2024年2月27日，硅應(yīng)變片龍頭KYOWA的KFWB型號(hào)應(yīng)變片的價(jià)格為445.2元/片，而標(biāo)準(zhǔn)130μm的N型單晶硅片僅需2.55元/片。行星滾柱絲杠的主要材料是合金鋼和軸承鋼行星滾柱絲杠的材料中，主絲杠選用的材料為50CrMo4或42CrMo4合金鋼，螺母和滾柱選用的材料為GCr15軸承鋼。50CrMo4合金鋼具有高強(qiáng)度、高硬度和良好的抗疲勞性能，適用于制造需要承受高載荷的零部件；GCr15軸承鋼耐磨性、抗接觸疲勞強(qiáng)度高，熱加工性好，適用于制造高耐磨性、高彈性極限和高接觸疲勞強(qiáng)度的機(jī)械零件。無(wú)框電機(jī)僅由定子和轉(zhuǎn)子組成無(wú)框電機(jī)僅由一組定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在機(jī)器軸上；定子包含有高磁導(dǎo)率磁芯，外面包裹著能產(chǎn)生電磁力的銅繞組，緊湊地安裝在機(jī)器外殼的主體內(nèi)。據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)，在上述材料中永磁材料價(jià)值量最高，占整體的35%。根據(jù)尼得科為機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的無(wú)框電機(jī)產(chǎn)品參數(shù)，其轉(zhuǎn)子重量在0.027kg-0.336kg之間，我們估計(jì)中等型號(hào)的轉(zhuǎn)子中使用釹鐵硼永磁材料的量為0.1kg。高性能釹鐵硼供不應(yīng)求永磁材料是決定電機(jī)性能的關(guān)鍵永磁材料，又稱(chēng)“硬磁材料”，指的是一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料，主要利用釹、釤等稀土元素與鈷、鐵等過(guò)渡金屬組成合金，代表為稀土永磁材料、鐵氧體永磁材料。自第一代稀土永磁材料問(wèn)世以來(lái)，稀土永磁已經(jīng)歷第一代SmCo5系材料，第二代沉淀硬化型Sm2Co17系磁體，發(fā)展到第三代釹鐵硼（Nd2Fe14B）系永磁材料。釹鐵硼永磁材料具有高磁能積、高矯頑力、體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)的特性，是目前應(yīng)用范圍最廣、性?xún)r(jià)比最高、綜合性能最優(yōu)的磁性材料。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，釹鐵硼永磁材料可分為燒結(jié)釹鐵硼、粘結(jié)釹鐵硼、熱壓釹鐵硼。燒結(jié)釹鐵硼產(chǎn)量占比最高，基本保持在85%以上，處于市場(chǎng)主導(dǎo)地位。高性能釹鐵硼是電機(jī)永磁材料的最優(yōu)解高性能釹鐵硼是內(nèi)稟矯頑力和最大磁能積之和大于60的燒結(jié)釹鐵硼磁材。相比于產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、技術(shù)含量低的中低性能釹鐵硼產(chǎn)品，高性能釹鐵硼具有極高的尺寸精度，磁性均勻性和一致性好，易加工成各種形狀尺寸，特別適用于高功率、高磁場(chǎng)領(lǐng)域以及小型化、輕量化的各種產(chǎn)品。伺服電機(jī)是驅(qū)動(dòng)人形機(jī)器人運(yùn)行的無(wú)法取代的方式。伺服電機(jī)在控制精度、過(guò)載能力、速度響應(yīng)等方面均優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，更加適用于機(jī)器人領(lǐng)域。而永磁材料是伺服電機(jī)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵；在人形機(jī)器人輕量化、體積小的要求下，高性能釹鐵硼成為電機(jī)永磁材料的最優(yōu)解。釹鐵硼產(chǎn)業(yè)鏈分析釹鐵硼產(chǎn)業(yè)鏈上游是稀土開(kāi)采和冶煉分離行業(yè)；中游主要為釹鐵硼生產(chǎn)制造行業(yè)，兩極分化明顯：低端市場(chǎng)門(mén)檻低，產(chǎn)能分散，產(chǎn)品同質(zhì)化明顯，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)序，而高端市場(chǎng)具有較高的技術(shù)、資金準(zhǔn)入門(mén)檻，未來(lái)發(fā)展空間廣闊；釹鐵硼產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用包括新能源汽車(chē)、節(jié)能電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、機(jī)器人制造等領(lǐng)域。PEEK是優(yōu)選輕量化材料機(jī)器人輕量化機(jī)器人本體輕量化技術(shù)能解決在緊密空間內(nèi)的人與機(jī)器人的緊密協(xié)作、保證機(jī)器與人類(lèi)一起協(xié)作工作時(shí)不會(huì)受到機(jī)器的傷害、提高機(jī)器人的機(jī)動(dòng)靈活性等問(wèn)題。機(jī)器人輕量化的基本原則是在保證機(jī)器人功能的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、使用的可靠性和服役的安全性的前提下，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料選擇、先進(jìn)制造工藝，來(lái)達(dá)到機(jī)器人構(gòu)件輕量化的目的。聚醚醚酮PEEKPEEK是綜合性能和產(chǎn)品附加值最高的特種工程塑料。PEEK性能全面，在剛性方面優(yōu)于絕大多數(shù)特種工程塑料的同時(shí)，也兼具韌性，展現(xiàn)了全面的機(jī)械性能，此外也有優(yōu)異的耐熱、耐磨、耐腐蝕性能。PEEK比強(qiáng)度大、密度低。在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，PEEK可以大幅度減小材料本身的自重，成為實(shí)現(xiàn)輕量化的解決方案，工業(yè)領(lǐng)域“以塑代鋼”應(yīng)用空間廣闊。PEEK可通過(guò)與碳纖維、玻纖等材料復(fù)合來(lái)提高材料的綜合性能。借助于碳纖維很高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，碳纖維復(fù)合PEEK材料展現(xiàn)出更高的韌性、抗沖擊性、比強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，擴(kuò)展了PEEK材料的應(yīng)用場(chǎng)景。全球PEEK市場(chǎng)一超多強(qiáng)，國(guó)產(chǎn)PEEK逐漸得到認(rèn)可全球PEEK生產(chǎn)廠商呈現(xiàn)“一超多強(qiáng)”的競(jìng)爭(zhēng)格局。英國(guó)威格斯是全球最大的PEEK生產(chǎn)商，其次是比利時(shí)索爾維和德國(guó)贏創(chuàng)，據(jù)中研股份招股說(shuō)明書(shū)，截至2021年底，三家企業(yè)的產(chǎn)能占比超過(guò)全球總產(chǎn)能的80%。國(guó)產(chǎn)PEEK產(chǎn)品逐漸得到認(rèn)可。2021年中國(guó)PEEK市場(chǎng)規(guī)模為1980噸，其中國(guó)產(chǎn)PEEK為1155噸，進(jìn)口PEEK為825噸，分別占比58.3%、41.7%。中研股份銷(xiāo)量超越英國(guó)威格斯，成為中國(guó)PEEK市場(chǎng)市占率最高的企業(yè)，達(dá)到30.57%。與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)中研股份、鵬孚隆等企業(yè)在原料和設(shè)備方面立足于國(guó)內(nèi)的同時(shí)不斷提高產(chǎn)能，取得了成本優(yōu)勢(shì)，也能保證產(chǎn)品純度高，批次穩(wěn)定。特種鋼材應(yīng)用部位較多特殊鋼是具有特殊性能和用途的鋼鐵產(chǎn)品特殊鋼，是與普鋼相對(duì)的概念，專(zhuān)指由于成分、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝特殊而具有特殊物理、化學(xué)性能或者特殊用途的鋼鐵產(chǎn)品。特殊鋼產(chǎn)品種類(lèi)豐富，按用途分為工具鋼、結(jié)構(gòu)鋼與特殊用途鋼三大類(lèi)。制造工藝是特鋼產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力特鋼產(chǎn)業(yè)鏈上游包括鐵礦石、合金等原材料制造以及廢鋼回收再利用環(huán)節(jié)；中游是指特鋼制造，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼以及其他特殊鋼的生產(chǎn)制造；產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用包括汽車(chē)、工程機(jī)械、航空航天等主要工業(yè)制造領(lǐng)域。全球特鋼行業(yè)市場(chǎng)增速趨緩全球特鋼行業(yè)市場(chǎng)增速趨緩。據(jù)華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)報(bào)道，2021年全球特鋼行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為4201.5億美元，同比增長(zhǎng)2.24%；2017-2021年CAGR為3.94%，市場(chǎng)增速放緩。特鋼市場(chǎng)規(guī)模與國(guó)家發(fā)達(dá)水平、工業(yè)化程度、技術(shù)進(jìn)步水平和高端工業(yè)產(chǎn)品的出口量密切相關(guān)。特鋼消費(fèi)量主要集中在工業(yè)化程度高和經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)；其中,日本是特鋼產(chǎn)業(yè)總體水平最高的國(guó)家，以高度專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)聞名于全球，2020年日本特鋼產(chǎn)量占全部粗鋼產(chǎn)量20.77%。人形機(jī)器人拉動(dòng)大量特鋼需求人形機(jī)器人使用的高質(zhì)量特鋼產(chǎn)品主要包括50CrMo4合金鋼、40Cr合金鋼和GCr15軸承鋼。50C