WAIC觀點|人形機器人輕量化浪潮來襲

在本屆WAIC上，筆者發現，隨著人形機器人嘗試從實驗室走向工業現場、家庭服務、醫療手術等多元場景，小型化、輕量化已經成為一個重要的機器人以及產業鏈發展趨勢。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，正成為行業競爭的焦點，更多廠商將小型化、輕量化已經提上了研發日程。

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，更有望重塑整個行業的技術生態與市場格局。

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展方向，其具備諸多優勢，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者后續使用,小體積意味著未來使用場景廣，狹窄環境可通過性強，價格“小”，高性價比，致力于讓每一位開發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模組輸出力矩大，連接穩定，工作可靠，機器人整體魯棒性高，仿人體步態自然，多自由度關節可實現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實需求。在工業領域，傳統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。

▍結構件優化：從參數優化到拓撲革命

隨著人形機器人從實驗室走向工業現場、家庭服務、醫療手術等多元場景，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，正從產業鏈的“配角”轉變為“核心競爭力載體”，其技術突破速度將直接決定機器人產業的發展高度，正迎來前所未有的變革機遇。

筆者發現，本次WAIC就有恒工精密攜其在機器人產業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、成本之間實現平衡。與部分公司的溝通中我們獲悉，輕量化技術的研究發展與突破不僅需要重塑結構件的設計邏輯，更要推動材料、工藝與產業鏈格局的深度重構，在機器人續航能力、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金屬材料主導，開始向“材料創新+結構優化+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，始于對傳統設計邏輯的顛覆。參數優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在人形機器人上。

從技術上來說，拓撲優化技術的引入，進一步將結構輕量化推向精密化。因為這種通過算法優化材料分布的方法，能在滿足力學性能的同時實現極致減重。北京人形機器人創新中心向記者介紹，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系統性減重，為其在馬拉松賽事中奪冠奠定基礎。當前，拓撲優化已從單一零部件延伸至整機系統，例如波士頓動力Atlas機器人采用拓撲優化的CFRP關節支架，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量，更通過功能復用降低了系統能耗，相關展商對媒體介紹，宇樹科技機器人就采用碳纖維、鋁合金復合關節模組，將驅動與傳動功能集成后，單關節扭矩密度達到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思維，而多數本體企業為初創公司，在材料學、力學仿真與制造工藝的協同能力上存在短板。這一現狀使得拓撲優化等先進技術的規模化應用仍需時間，短期內參數優化與材料替換仍是結構輕量化的主流選擇。

▍核心部件協同：結構件的功能集成趨勢

由于人形進入工業、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。例如關節模組作為運動控制的核心，其結構件大多已實現傳動+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，其開發的一體化關節，在內嵌式伺服電機結構設計上進行了一系列優化，創新性地將伺服電機與特制諧波減速機高度集成，較傳統分體式結構減重50%，體積縮減50%，扭矩密度提升至450Nm/kg，可實現360度連續旋轉。這種設計不僅減少了連接件數量，更通過結構件內部流道優化，將散熱效率提升，解決了高功率密度下的溫升問題。

絲杠與導軌系統的結構創新同樣顯著。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，已經出現了指尖智擎科技有限公司、諾仕機器人等創新公司，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。

驅動系統與結構件的協同設計打破了傳統產業鏈分工。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。

傳感器與結構件的融合則提升了機器人的環境感知能力。上海卓益得開發的行者二號機器人，據悉其腿部結構件內置光纖光柵傳感器，通過監測應力分布實時調整步態，此前在馬拉松賽事中實現高續航，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定性。

小型化、集成化趨勢無疑正推動產業鏈重構，使得傳統結構件廠商向系統解決方案提供商轉型。但集成化也帶來新的挑戰。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，某頭部企業對我們表示，集成式關節殼體的改型成本是傳統分體式的數倍。同時，不同廠商的技術標準差異顯著，多家企業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。這一現狀推動結構件行業向模塊化發展，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

除了結構件優化，現場企業對記者介紹，材料創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同的轉型。雖然鋁合金作為傳統輕量化材料，憑借成熟的加工工藝與成本優勢，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略合作協議，正式啟動鎂合金人形機器人聯合研發項目，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出獨特優勢，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展的同時，也面臨著技術瓶頸與產業痛點的雙重制約。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，在高濕度環境下的使用壽命仍比鋁合金短；碳纖維的軸向強度優異，但橫向抗剪切能力較弱，在關節等復雜受力部位易出現分層現象。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，制造工藝的規模化瓶頸同樣顯著。拓撲優化設計的結構件雖能實現輕量化，但傳統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新向混合制造方向發展，如先通過3D打印制作預成型坯，再經CNC精密加工修正尺寸，從而使拓撲優化結構件的量產成本降低，為規模化應用奠定基礎。

有展商解釋，產業鏈協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合研發，導致專用材料的開發滯后于市場需求；而整機企業對結構件的設計參數往往保密，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。盡管挑戰重重，結構件市場的長期增長邏輯依然穩固。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50億元市場規模。

輕量化與小型化將推動人形機器人向類人方向發展。因為機器人的發展革命，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，從實驗室的拓撲優化模型到工廠的量產生產線，從鎂合金的成本優勢到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同方式的根本變革，這正是輕量化、小型化在機器人產業中不可替代的價值所在。