人形機器人：用高精尖技術(shù)塑造人類的新伙伴

陸成寬

近日，一條“人形機器人進廠‘打工”的視頻引發(fā)網(wǎng)友熱議。視頻中，人形機器人順利完成汽車門鎖質(zhì)檢、安全帶檢測、車燈蓋板質(zhì)檢等工作，還以柔順的動作極其流暢地貼好了車標。整個過程中，人形機器人展現(xiàn)出精巧的身體控制能力。

這只是人形機器人走向?qū)嶋H應用的一個案例。近年來，人形機器人技術(shù)加速演進，已成為科技競爭的新高地、經(jīng)濟發(fā)展的新引擎。“頭腦”聰明、“四肢”靈活的人形機器人正成為未來產(chǎn)業(yè)的新賽道。公開數(shù)據(jù)顯示，到2035年，人形機器人市場有望達到1540億美元。

為什么要大力發(fā)展人形機器人產(chǎn)業(yè)，人形機器人與其他機器人有什么不同，實現(xiàn)人形機器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展還需要解決哪些難題？帶著這些問題，筆者采訪了相關(guān)專家。

重塑全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局

智能機器人作為新興技術(shù)的重要載體和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵裝備，是引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展，不斷孕育新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)的戰(zhàn)略方向，是重塑我國制造業(yè)競爭優(yōu)勢的重要工具和手段，是加快我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的現(xiàn)實選擇。

“人形機器人是人工智能在物理空間的重要體現(xiàn)和關(guān)鍵裝備，是實體通用人工智能系統(tǒng)的典型代表。它是繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性平臺產(chǎn)品，將成為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展、智能化升級的新質(zhì)生產(chǎn)力，有望持續(xù)催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)。”2月28日，全國政協(xié)委員、中國科學院院士、中國科學院自動化研究所研究員喬紅在接受筆者采訪時表示。

作為一種模仿人類外觀、形態(tài)和行為能力的智能機器人，人形機器人可以無縫使用人類所有基礎(chǔ)設(shè)施和工具，融入人類社會，通過AI賦能，可實現(xiàn)自然的語言交互與行為動作。其形態(tài)、交流、工作能力均像工人。因此在航空航天、智能制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家庭服務等不同領(lǐng)域、不同場景中均有廣泛的應用前景，有望顛覆一些領(lǐng)域現(xiàn)有的發(fā)展格局。“這是人形機器人區(qū)別于其他專用型工業(yè)機器人的顯著特征。”中國科學院自動化研究所博士鐘汕林說。

相比普通的工業(yè)機器人和服務機器人，人形機器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件構(gòu)成、控制算法、核心性能要求以及零部件選擇方面，都有很大的差異。“比如，普通工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)數(shù)量一般在6個左右，而人形機器人關(guān)節(jié)數(shù)量在40個以上。通常人形機器人的每個關(guān)節(jié)需要一臺伺服電機，部分與行走平衡相關(guān)的關(guān)節(jié)對電機的高爆發(fā)力矩響應和穩(wěn)定力矩輸出提出了極高的要求。”鐘汕林舉例說。

2023年底，為推動人形機器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，培育新質(zhì)生產(chǎn)力，高水平賦能新型工業(yè)化，工業(yè)和信息化部印發(fā)《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》（以下簡稱《指導意見》）。

《指導意見》提出，到2025年，人形機器人創(chuàng)新體系初步建立。“大腦”“小腦”“肢體”等一批關(guān)鍵技術(shù)取得突破，確保核心部組件安全有效供給，整機產(chǎn)品達到國際先進水平，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)；在民生服務等場景得到示范應用。到2027年，人形機器人技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提升，形成安全可靠的產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈體系，構(gòu)建具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，綜合實力達到世界先進水平。

業(yè)內(nèi)專家認為，高科技、高效能、高質(zhì)量是新質(zhì)生產(chǎn)力的重要特征，其核心標志是全要素生產(chǎn)率的大幅提升。通過自主創(chuàng)新突破實體通用人工智能系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，將人工智能與人形機器人深度融合，打通‘大腦—小腦—肢體環(huán)路，對推動實體經(jīng)濟各產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、解決新質(zhì)生產(chǎn)力落地應用所面臨的行業(yè)多、場景多、任務多等復雜問題具有積極意義。

諸多技術(shù)難題需要攻克

當前，人形機器人產(chǎn)業(yè)智能化趨勢明顯，產(chǎn)業(yè)化進程加速，應用領(lǐng)域日益廣泛，更多的行業(yè)標準和開放平臺也在逐步建立。

在看到成績的同時，我們也要清楚地認識到，我國人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展還面臨多重挑戰(zhàn)。

“人形機器人從研發(fā)走向廣泛應用，需要達到高性能、低成本、批量化三個要求。”中國科學院自動化研究所研究員劉禹說，一方面，高性能和低成本是相互制約的兩個因素。如何讓具有40多個自由度、平均體積與人相當?shù)膹碗s人形機器人系統(tǒng)精準完成各類任務，同時將整機成本控制在25萬元以內(nèi)，是一個重要挑戰(zhàn)。另一方面，批量化與穩(wěn)定性相互制約。在如此多類型、多組件的復雜系統(tǒng)中，如何克服由于各類零部件制造誤差造成的不確定性，使批量生產(chǎn)的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，也是一個關(guān)鍵難點。

目前，減速器、伺服電機、控制器等核心零部件占機器人整機成本的70%以上。“我們需要攻關(guān)輕量化骨骼、高強度本體結(jié)構(gòu)、高精度傳感、全身協(xié)調(diào)運動控制和手臂動態(tài)抓取靈巧作業(yè)等技術(shù)，以滿足人形機器人高動態(tài)、高爆發(fā)和高精度等運動性能需求，打造具有高安全、高可靠、高環(huán)境適應性的人形機器人本體結(jié)構(gòu)。這是我國當前在核心零部件方面需要著力突破的關(guān)鍵瓶頸。”劉禹說。

與人類一樣，人形機器人也有“大腦”和“小腦”。劉禹表示：“當前，我們還需要面向人形機器人復雜地形通過、全身協(xié)同精細作業(yè)等任務需求，攻克控制人形機器人運動的‘小腦關(guān)鍵技術(shù)群；同時增強人形機器人的環(huán)境感知、行為控制、人機交互能力；攻克支撐人形機器人全場景落地應用的‘大腦關(guān)鍵技術(shù)群。”

在系統(tǒng)集成方面，如何將感知、認知、決策、控制等軟件算法與傳感、機械、材料等硬件系統(tǒng)有機融合，形成整體性能高于單元器件性能的軟硬件一體化綜合系統(tǒng)，也是國內(nèi)外人形機器人相關(guān)研究人員面臨的共同挑戰(zhàn)。

在劉禹看來，人腦信息處理方式以及人體運動結(jié)構(gòu)機理，對于在有限傳感精度和有限本體精度條件下，構(gòu)建高性能人形機器人系統(tǒng)具有重要借鑒意義，能夠有效彌補我國在人形機器人硬件系統(tǒng)方面的不足。

未來產(chǎn)業(yè)應用前景廣闊

總體來看，我國有良好的制造業(yè)基礎(chǔ)和完整的產(chǎn)業(yè)鏈，既有能力為人形機器人的發(fā)展提供技術(shù)保障，又有能力為人形機器人提供廣闊的產(chǎn)業(yè)應用場景。

近日，在中國科學院、工業(yè)和信息化部、北京市政府的支持下，中國科學院自動化研究所人形機器人攻關(guān)團隊自主研發(fā)，突破了高爆發(fā)一體化關(guān)節(jié)、AI賦能設(shè)計、機器人大模型、類人柔順控制等核心技術(shù)。團隊還成功研制出人形機器人硬件設(shè)計和軟件開發(fā)“大工廠”，通過它可以快速設(shè)計構(gòu)建人形機器人硬件和軟件系統(tǒng)，大幅度縮短現(xiàn)有研發(fā)周期，進而向搶占實體通用人工智能系統(tǒng)科技制高點邁出堅實一步。中國科學院自動化研究所人形機器人攻關(guān)團隊技術(shù)骨干李睿表示：“通過軟硬融合的方式研發(fā)核心零部件，是攻克人形機器人卡脖子技術(shù)、打造實體通用人工智能系統(tǒng)的關(guān)鍵。”

目前，北京等地已組建了人形機器人創(chuàng)新中心。這些創(chuàng)新中心充分發(fā)揮科研機構(gòu)、企業(yè)等的優(yōu)勢共融發(fā)展，將有助于培育我國人形機器人這一新質(zhì)生產(chǎn)力，為新型工業(yè)化提供高水平支撐，并推動人形機器人產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

同時，在政策支持下，我國人形機器人的應用場景也在持續(xù)開放。人形機器人在工業(yè)制造、醫(yī)療、服務、救援等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。未來人形機器人必將成為人類的得力助手和伙伴，為人類帶來更多便利。

喬紅認為，未來人形機器人產(chǎn)業(yè)生態(tài)首先將聚焦3C、汽車等制造業(yè)重點領(lǐng)域，通過提升人形機器人工具操作與任務執(zhí)行能力，打造人形機器人示范產(chǎn)線和工廠，在智能制造典型場景實現(xiàn)深度應用。

其次，人形機器人產(chǎn)業(yè)生態(tài)將面向惡劣條件、危險場景作業(yè)等需求，在要地警戒守衛(wèi)、民爆、救援等特種環(huán)境下，通過強化人形機器人本體安全防護能力、復雜任務智慧生成與高精度操作能力，大幅度降低作業(yè)人員的危險性。

最后，通過提升人形機器人人機交互可靠性和安全性，還可以拓展人形機器人在醫(yī)療、家政等民生領(lǐng)域的應用，并推動人形機器人在農(nóng)業(yè)、物流等重點行業(yè)應用落地。

隨著日新月異的技術(shù)迭代，未來人形機器人將變得更加低成本和實用化。未來幾年內(nèi)，可以感知、理解環(huán)境以及與人類進行自然語言互動的人形機器人將出現(xiàn)在我們身邊。