WAIC观点|人形机器人轻量化浪潮来袭

在本届WAIC上，笔者发现，随着人形机器人尝试从实验室走向工业现场、家庭服务、医疗手术等多元场景，小型化、轻量化已经成为一个重要的机器人以及产业链发展趋势。因时机器人、灵心巧手、傲意、兆威机电都有更小的灵巧手面世，智元、宇树、傅利叶、星动纪元等企业都有更小型化的机器人产品。

部分人形机器人展商为了吸引眼球，尝试让人形机器人走进人群中，在密集的人流中行走，虽然速度不快，但被钢筋铁骨打一下依然会痛感明显，整体来看，随着机器人应用场景从实验室向家庭服务、工业车间等领域快速渗透，市场对机器人的性能要求日益严苛。轻量化与小型化技术作为提升机器人运动效率、拓展应用边界的核心路径，正成为行业竞争的焦点，更多厂商将小型化、轻量化已经提上了研发日程。

机器人通常可按照平台重量划分为微型机器人（≤10kg）、小型机器人（10kg~50kg）、轻型机器人（50kg~100kg）、中型机器人（100kg~500kg）、重型机器人（500kg）等，目前人形机器人普遍处于轻型机器人阶段，大多人形机器人重约70kg，但安全保障上并没有太好的措施。因此，轻量化与小型化不仅改变着机器人的物理形态，更有望重塑整个行业的技术生态与市场格局。

轻量化与小型化是人形机器人进化的必然选择，因为机器人轻量化与小型化的驱动力源自应用场景的现实需求。在工业领域，传统机械臂因自重过大导致能耗高、响应慢，难以适应柔性制造的快速切换需求；在家庭、服务场景中，过重的人形机器人若发生碰撞或倾倒，可能对人员造成安全威胁；从技术原理看，轻量化与小型化能够系统性解决机器人的核心痛点。重量降低直接减少电机负载，使相同电池容量下的续航能力提升。同时，结构小型化则提升了空间利用率，为机器人实现类人化动作提供了物理基础。更重要的是，轻量化材料的应用降低了对能源系统的依赖，这种“减重不减能” 的特性，让机器人在精密装配、服务等场景中具备了实用价值。

▍结构件优化：从参数优化到拓扑革命

随着人形机器人从实验室走向工业现场、家庭服务、医疗手术等多元场景，核心部件的革新是轻量化与小型化的微观基础，其中结构件作为支撑其运动性能与应用边界的核心载体，正从产业链的“配角”转变为“核心竞争力载体”，其技术突破速度将直接决定机器人产业的发展高度，正迎来前所未有的变革机遇。

笔者发现，本次WAIC就有恒工精密携其在机器人产业链中的十余个关键产品矩阵重磅亮相，集中展示了面向人形机器人、四足机器人及精密减速机系统核心零部件的解决方案，也有高擎机电、脉塔智能、智元、魔法原子等公司展现了结构设计轻量化成果。

值得注意的是，轻量化与小型化并非简单的“减重缩体”，而是需要在重量、强度、成本之间实现平衡。与部分公司的沟通中我们获悉，轻量化技术的研究发展与突破不仅需要重塑结构件的设计逻辑，更要推动材料、工艺与产业链格局的深度重构，在机器人续航能力、运动灵活性与场景适应性的硬性需求驱动下，机器人结构件市场正从传统金属材料主导，开始向“材料创新+结构优化+功能集成”的多元技术路径演进，助推机器人结构件的研发周期缩短至约6个月，从而匹配整机厂商快速迭代的需求，未来增长空间广阔。

机器人结构件的轻量化革命，始于对传统设计逻辑的颠覆。参数优化作为最直接的技术路径，通过精准调整零部件尺寸、布局与厚度，在保证强度的前提下减少冗余材料。这种“量体裁衣"的思路，在工业机器人的臂展结构设计中已广泛应用，通过强化关键连接件刚性，可减少部分辅助支撑部件，如今已经开始初步体现在人形机器人上。

从技术上来说，拓扑优化技术的引入，进一步将结构轻量化推向精密化。因为这种通过算法优化材料分布的方法，能在满足力学性能的同时实现极致减重。北京人形机器人创新中心向记者介绍，在人形机器人领域，此前天工Ultra就主要通过胸部、腰部与四肢的拓扑重构，使核心结构件重量减轻，在维持强度前提下实现系统性减重，为其在马拉松赛事中夺冠奠定基础。当前，拓扑优化已从单一零部件延伸至整机系统，例如波士顿动力Atlas机器人采用拓扑优化的CFRP关节支架，重量较铝合金减轻45%，弯曲模量达230GPa，支撑跳跃时10倍自重冲击载荷。

集成化设计则为结构件轻量化提供了系统级解决方案。借鉴新能源汽车一体化压铸技术，机器人结构件正从“多部件组装”向“模块化集成”转型。展商介绍，结构件这种化繁为简的思路，不仅减少了连接件数量，更通过功能复用降低了系统能耗，相关展商对媒体介绍，宇树科技机器人就采用碳纤维、铝合金复合关节模组，将驱动与传动功能集成后，单关节扭矩密度达到120N・m/kg，整机重量仅35kg，却能完成复杂的肢体协调动作。

然而，结构轻量化的推进仍面临技术瓶颈。当前人形机器人整机方案尚未形成统一标准，从电机+减速器的旋转驱动到电机+丝杠的直线驱动，不同技术路径对结构件的力学要求差异显著，导致厂商难以集中资源突破共性技术。同时，结构设计需要跨学科的系统思维，而多数本体企业为初创公司，在材料学、力学仿真与制造工艺的协同能力上存在短板。这一现状使得拓扑优化等先进技术的规模化应用仍需时间，短期内参数优化与材料替换仍是结构轻量化的主流选择。

▍核心部件协同：结构件的功能集成趋势

由于人形进入工业、服务等场景，展示更多功能特性，因此机器人结构件正从单纯的承载者向功能载体进化，与电机、减速器等核心部件的集成化程度持续加深，这一趋势重塑了结构件的设计逻辑与市场格局。例如关节模组作为运动控制的核心，其结构件大多已实现传动+支撑+传感的多功能融合，大多一体化成型的结构件，都设计了一体化关节和传动部件的位置。

例如本次WAIC，我们从天链机器人处得知，其开发的一体化关节，在内嵌式伺服电机结构设计上进行了一系列优化，创新性地将伺服电机与特制谐波减速机高度集成，较传统分体式结构减重50%，体积缩减50%，扭矩密度提升至450Nm/kg，可实现360度连续旋转。这种设计不仅减少了连接件数量，更通过结构件内部流道优化，将散热效率提升，解决了高功率密度下的温升问题。

丝杠与导轨系统的结构创新同样显著。行星滚柱丝杠作为直线驱动的核心部件，其螺母与壳体的一体化设计成为轻量化关键。本次WAIC上，已经出现了指尖智擎科技有限公司、诺仕机器人等创新公司，其中笔者了解到，诺仕机器人的RVI反式行星滚珠丝杠系列螺距0.5mm起，结构更加坚固，而且具备高强度和无回隙等特征。

驱动系统与结构件的协同设计打破了传统产业链分工。此前有消息提到，特斯拉Optimus Gen3的旋转驱动器就采用电机-减速器-轴承一体化结构，其壳体采用连续碳纤维增强PEEK复合材料，通过注塑成型直接集成轴承座与电机定子槽，较铝合金方案已经快速减重，而且装配工序减少，但这种设计要求结构件供应商深度参与前期研发。

传感器与结构件的融合则提升了机器人的环境感知能力。上海卓益得开发的行者二号机器人，据悉其腿部结构件内置光纤光栅传感器，通过监测应力分布实时调整步态，此前在马拉松赛事中实现高续航，这种结构传感一体化设计既要满足力学性能，又须具备信号传输稳定性。

小型化、集成化趋势无疑正推动产业链重构，使得传统结构件厂商向系统解决方案提供商转型。但集成化也带来新的挑战。结构件与核心部件的深度绑定，导致设计变更的成本大幅上升，某头部企业对我们表示，集成式关节壳体的改型成本是传统分体式的数倍。同时，不同厂商的技术标准差异显著，多家企业对结构件的接口要求截然不同，导致供应商需维持多套生产线，开多个磨具打样。这一现状推动结构件行业向模块化发展，部分厂商正在尝试推出标准化壳体接口，使结构件厂商可通过更换模具快速适配不同品牌核心部件，从而提升通用性。

▍场景需求带来的人形机器材料革命

除了结构件优化，现场企业对记者介绍，材料创新也是机器人结构件轻量化的核心驱动力。当前市场正经历从以钢为主到多元材料协同的转型。虽然铝合金作为传统轻量化材料，凭借成熟的加工工艺与成本优势，仍是中小负载人形机器人的首选，而镁合金正成为中高端机器人的新宠，其具备优异的减震性与电磁屏蔽能力，同时，从经济性看，当前镁铝价格比仅0.87，低于1.2-1.3的临界值，使用镁合金不仅能减重，还可降低材料成本。奥迪A8的镁合金减震器支座横撑已验证其可靠性，这为机器人

结构件的规模化应用提供了参考，不过，镁合金的抗腐蚀性短板仍需攻克。

本次WAIC上，力劲集团就宣布携手深圳赛博格机器人有限公司、中国机械总院集团沈阳铸造研究院有限公司、福建省镁铸轻量化研发中心有限公司、苏州赛翡斯新材料科技有限公司共同签署战略合作协议，正式启动镁合金人形机器人联合研发项目，开启人形机器人轻量化制造的新纪元。

此外，有展商介绍，工程塑料的以塑代钢进程正在加速。例如聚醚醚酮（PEEK）作为特种工程塑料的标杆，凭借高屈服强度与低密度，在高精度结构件中展现出独特优势，但其散热性、结构匹配性仍然有待提升。有机构预测，全球PEEK市场规模正以8%的年复合增长率扩张，预计2024年达61亿元，其中机器人领域的占比将从当前的5%提升至2027年的15%。

材料选择的背后是场景需求的分化。因为人形机器人开始更多进入场景，需要更注重结构件的负载能力与成本控制，因此短时间铝合金与镁合金仍将主导，但由于家庭服务机器人对安全性与轻量化要求更高，例如傅利叶GR-3展示了外包皮肤用于家庭养老服务场景的可能性，这意味着未来尼龙与改性工程塑料的应用比例有望不断提升，而这种差异化需求也正推动材料供应商向定制化转型。

▍挑战与机遇：结构件市场的未来展望

机器人结构件市场在快速发展的同时，也面临着技术瓶颈与产业痛点的双重制约。有展商提到，材料性能的平衡难题尤为突出，例如镁合金的耐腐蚀性与强度难以兼顾，即使经过表面处理，在高湿度环境下的使用寿命仍比铝合金短；碳纤维的轴向强度优异，但横向抗剪切能力较弱，在关节等复杂受力部位易出现分层现象。这些短板导致结构件设计往往需要牺牲部分性能，部分机器人企业手臂结构件为保证耐冲击性，采用CF/PEEK复合材料与铝合金的混合方案，虽解决了纯碳纤维的脆性问题，却使减重效果打了折扣。

也有展商指出，制造工艺的规模化瓶颈同样显著。拓扑优化设计的结构件虽能实现轻量化，但传统加工设备难以满足复杂型腔的精度要求，五轴加工中心的良品率远低于传统结构件，达不到量产条件；3D打印技术虽能成型复杂结构，但速度慢、成本高，单件生产周期长达24小时，同样难以满足量产需求。这些矛盾推动工艺创新向混合制造方向发展，如先通过3D打印制作预成型坯，再经CNC精密加工修正尺寸，从而使拓扑优化结构件的量产成本降低，为规模化应用奠定基础。

有展商解释，产业链协同不足也制约着技术进步，人形机器人厂商、结构件厂商与材料供应商的合作多停留在采购层面，缺乏对材料微观结构的联合研发，导致专用材料的开发滞后于市场需求；而整机企业对结构件的设计参数往往保密，使供应商难以提前布局针对性产品，这种信息壁垒延长了技术迭代周期。尽管挑战重重，结构件市场的长期增长逻辑依然稳固。有机构指出，从需求端看，2025年全球人形机器人预计出货量达10万台，单机结构件价值量约5万元，对应50亿元市场规模。