報告出品方：天風證券
以下爲報告原文節選
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1. AI 賦能人形機器人，或開啓産業化元年
從去年以來 AI 大模型的快速發展，推動人形機器人技術發展持續進步。2023 年 12 月，特斯拉發布人形機器人 OptimusGen2。相較于第一代，第二代 Optimus 新增了 2 自由度驅動的頸部，行走速度提高 30%，重量減輕 10kg，11 自由度的全新手部等，在感知、運動與控制方面均具備多項亮點。
2024 年 3 月，美國明星機器人創業公司 Figure 發布了全球首個 OpenAI 大模型加持下的機器人 Figure01。借助 OpenAI，在沒有任何遠程操作的情況，Figure01 可以實現端到端神經網絡框架下與人類的對話和互動，在這個過程中，OpenAI 模型提供高級視覺和語言智能，圖形神經網絡提供快速、低級、靈巧的機器人動作。
巨頭入局，帶動國內外衆多企業入場人形機器人行業。從投融資事件數量來看，2017-2023 年 8 月，我國人形機器人行業總共發生了 27 起融資事件，投融資活躍度呈波動態勢，于 2018 年達最高峰。從投融資金額來看，2017 年-2022 年，我國人形機器人行業投融資金額呈上升趨勢，在 2022 年達新高峰，爲 7.5 億元。人形機器人行業的發展迎來投資熱潮。
國家政策重磅支持，助力人形機器人迎來産業東風。2023 年 11 月 2 日，工信部印發《人形機器人創新發展指導意見》，提出到 2025 年，人形機器人創新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關鍵技術取得突破，確保核心部組件安全有效供給。到2027 年，人形機器人技術創新能力顯著提升，形成安全可靠的産業鏈供應鏈體系，構建具有國際競爭力的産業生態，綜合實力達到世界先進水平。在此之前，爲進一步鼓勵機器人行業發展，實現産業結構調整和産業升級，國家先後出台了一系列促進機器人行業發展的政策。
人形機器人應用領域廣泛，市場規模迅速擴張。人形機器人下遊應用領域涵蓋建築、教育、娛樂、醫療保健、航空航天等，十分廣泛。根據 Markets and Markets 預測，2023 年全球人形機器人市場規模爲 18 億美元，而到 2028 年預計市場規模將達到 138 億美元，CAGR 達 50.2%。分類別來看，教育和娛樂領域複合年增長速率最快，醫療保健領域則將擁有最大市場份額。分地區來看，未來北美/歐洲/亞太地區市場份額約占 34%/29%/34%，合計占比達 98%。以供給來看，日本、中國將是人形機器人制造重地。
量産在即，降本後或有較大市場規模。馬斯克表示，Optimus 人形機器人最終價格可能低于 2 萬美元，預計 3-5 年內量産，一旦人形機器人産業鏈成熟，未來量産數量可能將達到 100-200 億台，超過地球人口的數倍。2 萬美元（約 14 萬人民幣）的售價或將拓展多個應用場景，以我國舉例，2022 年，全國農民工總量達 2.9562 億人，若替代 10%，市場規模近 6000 億美元（對應 3000 萬台），僅建築領域，2023 年從業人數 5253.75 萬人，農民工近 80%，若農民工全部替代則有 4000 萬台市場空間。以 Markets and Markets 的2028 年市場規模預測來簡單測算，對應人形機器人將有 69 萬台。
2. 碳纖維和 PEEK 是機器人輕量化核心材料
人形機器人的體重需要嚴格把控，若體重過重，則會加重伺服電機的扭矩負擔，難以滿足驅動機器人行動的要求。本體輕量化後的機器人可大幅提高運動的機動性和工作效率，進而改善操作速度和動作准確度，同時減輕運動慣性，提高了機器人的本質安全性。各機器人制造公司在滿足機器人高速度和高精度基礎性能要求的基礎上，通過運行輕量化技術減輕機器人的自重，不僅提升了機器人的綜合性能同時還降低了能耗，減少了環境汙染。機器人輕量化結構材料需要滿足以下要求：
（1）強度高：在工業生産中機器人結構材料必須保證一定的強度，否則將會增加安全事故的産生並影響機器人的使用壽命。
（2）較大的彈性模量和彈性極限：機器人需要在服役過程中承受外力，因此需要具有抵抗彈性變形的能力，同時要盡可能的避免服役過程中的塑性變形，這是機器人精確控制的基礎。
（3）較大的震動阻尼：因爲機器人部件啓動，制動的過程中會由于自身慣性，造成局部受力，並産生局部的震動，爲了精確定位，穩定傳動，需要材料本體吸收這部分的震動阻尼。
（4）輕量化：機器人材料的輕量化可以減少使用能耗，降低運動慣性從而降低部件受力，同時減少傳動部件的負擔。在特殊服役環境下，如航天領域，輕量化的結構能夠盡可能的爲其他部件設計提供自重余量。
2.1. 碳纖維輕質高強， 大大提高人形機器人安全性及效率
先進複合材料性能優于金屬。與鋁合金等傳統金屬材料相比，碳纖維等現代複合材料爲生産重量更輕、強度更高的機器人結構部件提供了高性能解決方案。碳纖維的輕質與其伴隨的強度相匹配，因此改進的複合材料對人形機器人的未來發展至關重要。
碳纖維在人形機器人中的應用主要在于機械臂。國內市場中的機械手臂多數采用鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造。這種金屬材料制作成的機械手臂存在速度慢、能耗大、易變形磨損等缺點，並且這些金屬材料的成型條件複雜，成型難度大，且抗震性及抗氧化性不佳。采用碳纖維增強材料制作的機械手臂，其優勢體現在：
（1）自重輕、能耗低，生産效率高，碳纖維複合材料密度僅爲鋼材的 1/3，較鋁合金輕30%。
（2）強度大、承載多，碳纖維複合材料不論是比強度、比模量，還是抗拉強度，均比鋼更強，比強度甚至是鋼鐵材料的 43 倍。
（3）蠕變小、精度高，碳纖維複合材料熱膨脹系數極低、蠕變小，能夠適應溫差較大的工作環境。
（4）碳纖維複合材料具有良好的耐疲勞性、耐磨損，降低維護或更新的頻率。
仿生骨骼領域碳纖維應用是近幾年的研究熱點。碳纖維機械手臂開發階段需要經曆技術研發、小試、中試、産業化等階段，其中包括産品的工藝優化、安全檢測、質量檢測、報廢産品處理等。碳纖維的質量輕、比強度（強度密度比）和比模量（模量密度比）高，制作相同強度的機械手臂，選用碳纖維複合材料（CFRP）可以做得很輕。由于碳纖維複合材料所具有的這些優異的性質，其在機器人工業領域方面是近幾年的研究熱點：
（1）爲了兼顧輕量化和安全性，2012 年美國仿生控股有限公司（EksoBionic）推出的康健型的下肢外骨骼系統 Ekso 的關鍵部位采用了大量的鋁合金、钛合金和碳纖維的複合材料。
（2）日本松下電器産業株式會社(Panasonic)在 2015 年 9 月推出的質量僅爲 6kg 的可穿戴式機器人“AssistSuite”，其零部件主要采用了碳纖維複合材料，機器人用于輔助重物裝卸作業。
（3）北京郵電大學研制的一款新型機器人碳纖維臂杆，采用碳纖維降低了機器人手臂的自重，從而減少了震動、運動慣性、降低了能耗，同時實現了機器人手臂更加平穩的移動。
（4）無錫威盛新材料提供的相關産品數據證明，使用碳纖維複合材料制作的機械臂，能夠有著比起傳統鋼鐵材料和鋁合金更加均勻的載荷分布，整體質量比鋁合金材質減輕了30%，比鋼鐵材質輕了 70%，臂架重心因此而降低了 10%，振動減少了 40%，精准度由0.03mm 提升到 0.01mm，安全穩定性和工作效率都得到了有效提升。
除此之外目前已發布的機器人機械臂，如德國宇航中心第三代輕型機械臂（LWRⅢ）、Kinova 的 7 自由度 JACO 機械臂、挪恩複材、江蘇博實等公司産品均利用碳纖維材料幫助機械臂達輕量化效果。
2.2. 特斯拉最新一代機器人采用 PEEK 減重的同時，性能進一步提升
2.2.1. 聚醚醚酮（PEEK）以其優異的性能在中高端領域逐步替換金屬材料
聚醚醚酮（PEEK）是一種具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、自潤滑等優異性能的特種工程塑料，適用于人形機器人、新能源汽車、醫療器械等對輕量化要求較高的領域。2023 年 12月 12 日，特斯拉最新一代機器人 Optimus-Gen2 的升級引起廣泛關注。該産品成功應用“樹脂之王”PEEK 材料，使機器人的重量減輕 10kg，行走速度提升 30%，其他性能進一步加強。
PEEK 與其他塑料相比，具備較強性能優勢。相較于主要工程塑料、特種工程塑料，PEEK性能全面，在剛性方面優于絕大多數特種工程塑料的同時，也兼具韌性，展現了全面的機械性能，此外在耐熱、耐磨、耐腐蝕等方面均表現優異。因此，PEEK 是公認的全球性能最好的熱塑性材料之一。
在“以塑代鋼”、“輕量化”的大背景下，PEEK 以其優異的性能在中高端領域逐步替換金屬材料的使用。PEEK 作爲一種高分子新材料，其主要用于替代金屬材料， PEEK 比強度大，在滿足強度要求的前提下，可以大幅度減小材料本身的自重，成爲實現“輕量化”的解決方案。此外 PEEK 在絕緣性、耐化學性方面均優于普通金屬。因此 PEEK 材料逐漸取代金屬材料和工程塑料，提高人形機器人耐用性和性能的趨勢明顯。
2.2.2. 行業整體呈現供大于求，國産替代趨勢明顯
PEEK 屬于合成樹脂制造行業，制備工藝較爲複雜。行業上遊是化學原料和化學纖維制造行業，下遊應用于交通運輸、航空航天、電子信息、能源及工業、醫療健康等行業。以中研股份工藝路線爲例，其采用的是親核取代路線，即氟酮和對苯二酚在堿金屬鹽存在的條件下，以二苯砜爲溶劑，在 280℃-340℃條件下進行縮聚反應，然後再通過丙酮和水去除殘留的溶劑和鹽，經過幹燥工藝獲得高分子量的 PEEK 樹脂，然後根據産品性能需要，將玻纖、碳纖、聚四氟乙烯、石墨等加入到擠出機中與粗粉共同進行擠出，得到複合增強類樹脂顆粒。
原材料成本占比較高。2022 年中研股份 PEEK 材料生産成本中原材料/制造費用/人工/能源動力及運輸費占比 75%/11%/8%/6%，原材料主要包括氟酮、對苯二酚、二苯砜、碳酸鈉等。其中氟酮是合成 PEEK 最關鍵的原材料，其純度、品質將直接影響 PEEK 的産品質量。
材料成本主要來自氟酮，每生産 1 噸 PEEK 需要消耗約 0.7-0.8 噸氟酮單體。
除去疫情影響，全球 PEEK 需求增速總體呈現穩步上漲。根據弗若斯特沙利文披露的數據，全球 PEEK 市場規模由 2018 年的 36 億人民幣到 2022 年增長至 49 億人民幣，期間年複合增長率 8.01%；由于 2020 年海外地區受到 COVID-19 疫情的嚴重影響，制造業對聚醚醚酮（PEEK）的總體需求量減少，導致 PEEK 市場規模出現下降趨勢。全球 PEEK 市場規模在 2027 年將預計增至 84 億元，期間年複合增長率爲 11.38%。
中國 PEEK 市場規模增速將大于全球。根據弗若斯特沙利文披露的數據，中國市場 PEEK市場規模由 2018 年的 8 億人民幣增至 2022 年的 15 億人民幣，複合增長率達到了 17.01%。
預計到 2027 年，中國本土新能源、半導體和醫療等高端制造業的産能將得到進一步釋放，市場規模將由 15 億元提升至 28 億元，年複合增長率約 13.3%。
歐洲是最大消費區域，下遊應用以交通運輸、工業及電子爲主。根據《聚醚醚酮市場分析及發展趨勢》論文披露的信息，全球 PEEK 消費區域主要集中在歐洲、美洲和亞太地區，其中歐洲是 PEEK 的最大市場，占比 37%（2022 年預測數據），其相關産業發展相對成熟，全球 PEEK 的下遊領域中交通運輸/工業/電子信息領域的消費量占比爲 40%/25%/24%，合計 90%。2022 年，全球 PEEK 消費量預計達到 7556 噸，不考慮價格變化的情況下，以年複合增長率 11.38%測算，2027 年需求有望達到 12952 噸。我國 2022 年 PEEK 市場消費量約爲 2334 噸，不考慮價格變化的情況下，以年複合增長率 13.30%測算，2027 年需求有望達到 4358 噸。
全球來看，PEEK 主要爲國外三家企業供給。 據中國化信咨詢的數據，2022 年全球 PEEK總産能約 1.6 萬噸/年，前 3 大生産企業合計占據全球産能的 80%。威格斯是全球最大的PEEK 生産商，産能 8650 噸/年，占全球總産能的 50%以上；其次是索爾維和贏創，産能分別爲 2500 噸/年和 1800 噸/年。威格斯和贏創在中國大陸均有生産基地。其中，威格斯與營口興福的合資企業盤錦偉英興于 2022 年 9 月建成了 1500 噸/年産能；吉大贏創在2022 年 8 月完成股權變更後已由贏創 100%控股，但産品基本出口至歐美地區。
國內企業産能擴展迅速。2022 年，中國共有 8 家 PEEK 生産企業，總産能和産量分別爲6050 噸/年和 2380 噸，同比增長 70.4%和 11.9%。中國本土 PEEK 代表企業是中研股份和浙江鵬孚隆。其中，中研股份的工藝技術水平在國內處于領先地位，能夠提供各種級別的産品。未來 5 年，全球 PEEK 新建項目主要集中在中國。2023 年中國投産的 PEEK 項目爲沃特股份 2000 噸/年 PAEK（包括 900 噸 PEEK，100 噸 PEKK）項目，中國 PEEK 産能有望增至 6950 噸/年。
國産 PEEK 産品質量不斷提升，逐步縮小了與國外産品的差距，並且價格具有很強的競爭力。根據英國威格斯年報，PEEK 在工業和醫療領域的定價差距巨大。威格斯工業級 PEEK的售價約爲 55 萬元/噸，醫療級 PEEK 大約爲 245 萬元/噸。根據中國化信咨詢披露的信息，在國際市場上，標准級 PEEK 售價一般爲 80-100 萬元/噸，而國産産品平均售價在 50萬元/噸以內。國內企業在原料和設備方面立足于國內的同時不斷提高産能，取得了成本優勢，使國産 PEEK 的市場售價顯著低于國際市場價格。
2.3. 碳纖維增強 PEEK 複合材料是國內未來發展方向
碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）高性能熱塑性複合材料是未來人形機器人的核心材料。碳纖維增強 PEEK 複合材料（CF/PEEK），指碳纖維以粉末、顆粒、連續纖維（長纖維）或者織物形式增強 PEEK 樹脂基的複合材料。與傳統鋁合金和不鏽鋼相比，鋁合金的密度爲2.8g/cm3，不鏽鋼的密度爲 7.3g/cm3，連續 CF/PEEK 複合材料的密度爲 1.5-1.6g/cm3，具有重量輕，強度高的優勢。與傳統的碳纖維粉末改性材料相比，碳纖維的高強度、高模量特性賦予了 CF-PEEK 複合材料高強度、高彈性模量和抗變形特性。機械強度提高至少 3 倍，模量也提高至少 3 倍，具有更好的尺寸穩定性和抗變形性。
CF/PEEK 生産技術亟待突破。目前 CF/PEEK 生産技術由日本東麗、英國威格斯等少數公司掌握，主要應用于航空航天等尖端領域。國內 CF/PEEK 的研發集中在高校、科研院所和極少數企業之中。國外核心制造技術及相關裝備都被嚴格保密，對中國實施嚴苛的封鎖政策。國內大多數 CF/PEEK 産品，如預浸帶、預浸板多依靠進口，數量無法滿足需求、應用成本較高，極大限制了國內市場對此類産品的大範圍應用。目前國內多家 PEEK 企業正加大投入進行 CF/PEEK 研發工作。
2.4. 人形機器人量産將較大拉動 PEEK 需求，對碳纖維影響不大
人形機器人的量産較大拉動 PEEK 行業需求。PEEK 和碳纖維材料在人形機器人中的應用範圍主要爲機械臂，特斯拉第二代機器人手臂使用的是連續碳纖維複合材料單項帶，其中單向增強碳纖維與 PEEK 的比例約爲 55%比 45%，若兩個機械臂的重量約爲 10kg，50%使用 CF/PEEK 複材，估算碳纖維與 PEEK 用量爲 5.5kg 與 4.5kg。按照上文三種方式估計人形機器人的數量，對應碳纖維及 PEEK 用量如下表所示。以 2022 年碳纖維及 PEEK 行業對比來看，人形機器人的量産對于 PEEK 行業需求彈性拉動較大。
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