世界主要經濟體人形機器人的發展研究

摘 要：隨著生成式人工智能的迅猛崛起，人形機器人作為人工智能與機器人技術交匯的產物，引發世界主要經濟體的廣泛關注。本文以2021—2024年中國、美國、德國、日本、韓國等世界主要經濟體在人形機器人領域的相關發展戰略與計劃為切入點，系統梳理了各主要經濟體在人形機器人領域的重點發展方向。研究發現，世界主要經濟體將人形機器人發展融入人工智能、機器人、材料科學、先進制造等領域中，并圍繞人形機器人的感知決策、控制系統、肢體關鍵等重點方向開展布局。基于上述研究，本文從打造產業創新生態、提升整機制造能力、加快多領域多場景應用三方面提出加快推動人形機器人產業發展的啟示建議。

關鍵詞：人工智能；人形機器人；發展戰略

一、引言

生成式人工智能的爆發，進一步加速了“人工智能+機器人”的發展進程。人形機器人的發展歷程可以概括為以下三個階段：第一階段是早期發展階段（1972—1986年），以日本早稻田大學研發的人形機器人為主；第二階段是系統高度集成發展階段（1986—2010年），以本田、軟銀為代表的日本企業開始研發、推出人形機器人，該階段的人形機器人應用場景較為簡單，包括展覽和娛樂；第三階段是高動態運動發展階段（2010年-至今），該階段由美國企業主導人形機器人賽道，制造出了科技含量更高、可完成搜救、工廠配送等復雜任務的人形機器人。當前，全球人形機器人市場規模穩步擴大，根據國際投資銀行高盛集團的最新預測數據，到2035年，全球人形機器人的出貨量將達到140萬臺，市場規模將達到380億美元，較之前的預測分別增長了4倍和6倍。人形機器人集機械工程、電子工程、計算機科學、人工智能、材料科學等學科為一體，在安全救援、醫療護理、教育陪伴、娛樂服務等領域應用廣泛，因此加快人形機器人產業發展具有深遠意義。

二、世界主要經濟體人形機器人發展戰略導向

當前，中國高度重視人形機器人產業發展，2023年10月，我國發布《人形機器人創新發展指導意見》，美國、德國、日本、韓國尚未發布人形機器人專項戰略或計劃，世界主要經濟體人形機器人戰略布局呈現出與機器人、人工智能、材料科學、先進制造等領域深度交融的特點。

（一）美國：高度重視機器人、人工智能、先進制造等領域研發

機器人方面，美國自2011年以來連續三次發布國家機器人計劃（National Robotics Initiative， NRI），2016年美國在NRI 2.0中提出拓展協作機器人的概念，以基礎科學、方法、技術和集成系統等為研究重點，加快實現通用協作機器人的愿景，旨在使機器人像汽車、計算機和手機一樣成為日常用品。2021年美國發布NRI 3.0，重點關注機器人集成系統的研發，鼓勵美國學術界、工業界、非營利組織和其他組織之間的合作，從而在基礎科學和工程技術的開發、部署和使用之間建立更好的聯系，推動機器人集成科學的發展。

人工智能方面，2023年美國發布第三版《國家人工智能研發戰略計劃》，該計劃是對2016年、2019年版計劃的更新，把開發功能更強大、更可靠的機器人作為重要組成部分之一，指出機器人能夠充分利用包括感知、物理操作、導航等人工智能在內的大部分領域，并在增強或模仿人類智力方面具有較大潛力。此外，該計劃還把機器人的機動性和操作性，尤其是機器人在崎嶇和不確定地形上的移動以及機器人在復雜環境與人類安全、協作的互動作為重要研究領域之一。

先進制造方面，增材制造技術（3D打印）為解決人形機器人異形件加工難題提供了新的思路。2022年，美國發布《先進制造業國家戰略》，該戰略的第一個支柱是開發和實施先進的制造技術，并將開發創新材料和加工技術作為重點目標之一，認為增材制造是開發和應用先進制造材料和技術的關鍵，重點關注開發所有用戶均可訪問的增材制造工藝優化框架，以及將增材制造技術與智能制造平臺相結合。

（二）德國：多學科多領域夯實人形機器人底層技術

人工智能方面，2023年德國發布《人工智能行動計劃》，該計劃確立了加快基礎設施建設、促進應用和科研成果轉化以及保障措施三個重點行動領域，提出加速人工智能轉化為生產效能和經濟的進程，進一步加強人工智能機器人前沿研究。

機器人方面，2023年德國發布《機器人研究行動計劃》，該計劃圍繞科學研究、跨學科前沿研究成果融合、人才培養和應用推廣四個領域行動設計了若干實施路徑，通過把握機器人技術發展帶來的重大機遇，鞏固加強德國機器人的創新地位。該計劃旨在落實《未來研究與創新戰略》和《人工智能行動計劃》中的相關內容，具體資助項目包括基于人工智能的機器人算法和創新傳感器，減輕護理人員負擔的服務機器人和救援機器人等。

材料科學方面，2023年德國發布《輕量化戰略》，該戰略采用整體化、跨行業和跨材料的方法，通過先進的制造工藝、創新的設計方法和有針對性的材料選擇，實現材料節約和重量優化，相關材料包括金屬、碳和玻璃纖維、塑料和生物原材料。

（三）日本：重點圍繞人工智能夯實人形機器人發展基礎

2022年日本發布《人工智能戰略2022》，該戰略旨在通過開發和展示模仿大腦機制的人工智能節能技術、收集和建立日語相關的數據集、開發大規模語言模型等方面的措施促進人工智能的社會應用。

在人形機器人涉及的關鍵技術領域方面，2024年日本發布《統合創新戰略2024》，該戰略提出了三項強化措施，即關鍵技術相關的綜合性戰略、在全球視角下加強合作、提升人工智能領域競爭力并確保安全，并將人工智能、材料科學等認定為重要技術領域，強調通過跨領域的技術融合加強產學研合作，實現人工智能創新和安全發展，加速創新材料研發和產業化，以提升日本在尖端技術領域的競爭力。

（四）韓國：聚焦機器人戰略加快人形機器人創新步伐

機器人方面，2022年韓國發布《2022年智能機器人實行計劃》，該計劃旨在加強韓國政府對工業和服務機器人的持續投資和支持，并放寬限制打造促進機器人產業發展的環境，2022年韓國政府投入2440億韓元（約合2億美元）開展工業及服務機器人研發和普及。2024年韓國發布《2024—2028年第四個智能機器人基本計劃》，概述了從制造業到物流、服務、國防、社會保障、醫療保健和護理行業的機器人產業發展方向，到2030年的目標包括部署機器人100萬臺，關鍵部件的國內生產率提高到80%，完善促進先進機器人部署所需的51項法規，以及培養人才超過15000名。此外，該計劃還將建立機器人友好型基礎設施，制定機器人倫理準則，驗證處于開發階段的機器人的穩定性、可靠性，從而實現人形機器人的快速商業化。

（五）中國：高度重視人形機器人產業發展，率先發布指導文件

中國高度重視人形機器人產業發展，2023年10月，工信部印發《人形機器人創新發展指導意見》（以下簡稱《指導意見》），旨在推動人形機器人產業高質量發展，有力支撐現代化產業體系建設。《指導意見》圍繞關鍵技術突破、產品培育、場景拓展、生態營造以及支撐能力5方面部署了相關任務。《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”等一批關鍵技術實現突破，整機產品達到國際先進水平并實現量產，并在特種、制造、民生服務等場景得到示范應用，到2027年，人形機器人技術創新能力顯著提升，產業加速實現規模化發展，應用場景更加豐富，形成具有國際競爭力的產業生態。

綜上所述，2021—2024年世界主要經濟體在人形機器人領域發布的未來發展戰略與規劃，涉及人工智能、機器人、材料科學、智能制造等多種前沿領域。當前，中國率先面向人形機器人領域發布了專門的指導意見，美國、德國、日本、韓國雖然均尚未發布專門的人形機器人戰略，但是美國和德國圍繞人工智能、機器人、先進制造、材料科學等多領域的技術不斷夯實人形機器人發展基礎，日本和韓國則分別聚焦人工智能、機器人發展，為人形機器人發展奠定技術基礎。

三、全球主要經濟體人形機器人的重點發展方向

全球人形機器人產業發展步入快車道，世界主要經濟體圍繞人形機器人產業鏈上下游開展布局。在中游環節，美國的特斯拉、波士頓動力，日本的本田、中國的優必選、小米等全球主要經濟體的多家中游企業積極布局并發布Optimus、Atlas、ASIMO、Walker X、Cyberone等相關產品。在下游環節，美國特斯拉、Figure AI以及中國優必選等人形機器人企業在工業制造、服務業、醫療康復等領域開展應用探索。在上游環節，全球主要經濟體主要圍繞人形機器人感知決策系統、算法控制系統、肢體關節系統三方面進行布局。

人形機器人產業鏈上游具有產品附加值高的特點，因此得到世界主要經濟體相關企業的前瞻布局，如美國、中國、德國、日本、韓國等全球經濟體以及挪威、丹麥、瑞典、比利時等北歐創新強國的相關企業在人形機器人產業鏈上游均有重點布局及關鍵產品。

（一）感知決策系統

人形機器人的感知決策系統負責視覺、聽覺和思維等更高層次的認知功能，具體表現為環境感知能力，以及包括行為控制和人機交互在內的決策執行能力，環境感知能力又包括視覺和觸覺兩個方面。

視覺方面，美國人形機器人相關傳感器企業采用的“時間飛行法+雙目視覺”方案有望成為主要的技術路徑。目前大多數人形機器人使用的是三維視覺傳感器，該傳感器的主要技術路徑有三條。第一條路徑為“雙目視覺+時間飛行法”方案，主要采用企業為美國的Stereolabs和菲力爾 ；第二條路徑為“時間飛行法+多攝像頭”方案，主要采用企業包括美國的微軟、日本的索尼；第三條路徑為“結構光+復雜算法”方案，主要采用企業包括挪威的Zivid、比利時的 Pickit、美國的英特爾。為再現人眼的工作原理，人形機器人綜合視覺解決方案的未來趨勢將以雙目視覺為主要形式，以時間飛行法、結構光技術為輔助彌補其低夜視能力和高算法功耗。

觸覺方面，仿人化力控、柔性電子皮膚發展空間廣闊，澳大利亞、丹麥、美國、韓國、中國均有布局。具體來看，澳大利亞的Contactile是機器人觸覺傳感器領域的初創企業，該企業致力于實現智能靈巧的機器人抓取，其觸覺傳感器為機器人抓取系統提供了人手的感官優勢，同時沒有與尺寸、強度、環境和疲勞相關的物理限制。丹麥的OnRobot由OnRobot、OptoForce和Perception Robotics三家創新型臂端工具企業合并而成，該企業為機器人協作應用提供了各種工具和軟件，包括電動、真空和磁力夾持器、夾持技術、力/扭矩傳感器、視覺系統、螺絲刀、砂光機套件和工具更換器。美國的ATI是世界領先的機器人配件和手臂工具的工程企業，產品包括自動工具更換器、多軸力/扭矩傳感系統、實用耦合器、材料去除工具、機器人碰撞傳感器、手動工具更換器和順應性設備。韓國的Robotous致力于為機器人系統提供高精度和可靠的六維力傳感器，以幫助機器人實現準確的觸覺感知和精確的運動控制，其傳感器技術可以實時捕捉機器人與環境之間的交互力，為機器人提供精準的定位、操作和協作能力。目前人形機器人觸覺的主流解決方案是六維力傳感器，力傳感器技術發展的三大趨勢是壓電/電容式、微機電系統多種感力元件的集成化運用、感力元件開發。

決策執行方面，類腦芯片和機器人大模型RobotGPT將推動人形機器人實現自然智能，美國和中國的企業在此領域占據主導地位。當前美國的Alphabet、微軟、英偉達、OpenAI，以及中國的百度等科技企業已經在圍繞“人工智能芯片+ChatGPT大模型”賦能人形機器人發展，依靠自然語言處理能力、機器學習、監督學習及ChatGPT不斷迭代的技術能力實現高程度語言智能，如OpenAI的大模型包括GPT系列模型和DALL-E等。美國的Neuralink，以及中國的他山科技、達闥機器人等企業正在圍繞人形機器人的邏輯數學智能、空間智能、身體動覺智能、人際智能和自然智能加緊“類腦芯片+RobotGPT大模型”研發。

（二）算法控制系統

人形機器人的算法控制系統負責協調和平衡機器人的運動，包括搭建運動控制算法庫和建立網絡控制系統架構兩個方面。

運動控制算法方面，自研運控算法未來或成為人形機器人企業核心競爭力，韓國、美國、中國企業多采用離線行為庫和實時調整相結合的方案。目前多數人形機器人企業的運動控制算法均為自研，但思路較為相似，即采用了離線行為庫和實時調整相結合的方案。如韓國現代汽車公司旗下人形機器人企業波士頓動力基于離線行為庫和模型預測控制實現對人形機器人Atlas的行為控制，使機器人能夠在考慮環境的同時規劃復雜的全身運動。美國特斯拉的人形機器人 Optimus的步態規劃算法思路和Atlas類似，運動規劃器基于預期路徑生成參考軌跡，控制器根據傳感器實時信息對機器人進行姿態估計，對行為參數進行校正，也有助于應對復雜的現實環境。中國樂聚的人形機器人KUAVO在離線全動力學規劃和實時全身運動控制算法基礎上，加入了在線軌跡重規劃，能夠在復雜地形和環境中實現高效運動和穩定控制。樂聚機器人專注于機器人關鍵共性技術研究，是一家專注于高端智能人形機器人研究與開發的高科技企業，2023年該企業與深開鴻宣布合作，推出首款基于開源鴻蒙系統的人形機器人。

網絡控制系統方面，目前大多數人形機器人基于美國斯坦福大學的機器人操作系統開發，開源鴻蒙有望成為中國人形機器人的主流操作系統。機器人操作系統起源于美國斯坦福大學，2022年被美國Alphabet旗下公司Intrinsic收購，目前大多數人形機器人基于該系統開發。2023年11月，中國樂聚機器人與深開鴻聯合開發的基于開源鴻蒙系統的人形機器人打破了這一現狀。機器人操作系統與開源鴻蒙系統在開發環境、硬件支持、生態系統等方面存在較大差異，但后者具備與外部傳感設備數據互聯、超級終端多設備連接的特性，安全性更高，能夠助力人形機器人智能、高效、精準完成工作。

（三）肢體關節系統

人形機器人的肢體關節系統是實現成本控制和效率提升的核心要素，主要包括一體化關節、輕量化本體和動力單元。

一體化關節方面，日本的哈默納科、德國的舍弗勒集團、瑞士的ABB是人形機器人關節領域的龍頭企業。哈默納科是全球諧波齒輪減速器龍頭企業，其減速器產品經過用戶長期使用驗證。舍弗勒集團是生產滾動軸承和直線運動產品的全球領先企業，也是全球知名的核心傳動部件絲桿生產企業。高質量一體化關節是降低人形機器人制造成本的關鍵，人形機器人一體化關節約占整體成本的50%，多數人形機器人整機有執行器超40個，包括直線執行器、旋轉執行器和靈巧手三類，目前執行器多采用“無框力矩電機+諧波/行星減速器+傳感器+絲杠+軸承”方案，其中行星減速器具有高剛性和高強度的特點，能夠用于高承載力的關節。

輕量化本體方面，美國特斯拉第二代人形機器人Optimus Gen2采用聚醚醚酮材料，性能大幅提升。本體輕量化可大幅提高人形機器人靈活性和工作效率，減輕其運動慣性，提高安全性，聚醚醚酮有望成為人形機器人輕量化的核心材料。英國的威格斯是生產聚醚醚酮的全球領先企業，其不斷創新聚醚醚酮材料形態和部件。當前多數人形機器人使用碳纖維或鎂鋁合金等復合材料制作的機械臂，如德國宇航中心第三代輕型機械臂LWR III通過碳纖維材料達到輕量化效果。聚醚醚酮能夠滿足人形機器人高強度輕量化要求，在人形機器人肢體方面具有較大的應用潛力，由于采用聚醚醚酮，特斯拉第二代人形機器人Optimus Gen2較上一代重量減輕10千克，步行速度提升30%。動力單元方面，中國的寧德時代有望成為中型電池和人形機器人領域的領導者之一。目前人形機器人普遍采用三元鋰電池，相比于汽車采用的磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池的電流密度更高，可以滿足人形機器人更大的動力續航要求。

四、人形機器人產業發展啟示和建議

人形機器人反映了當今世界智能裝備的最高技術水平，從上述分析可以看出，全球主要經濟體不斷夯實人形機器人關鍵技術基礎，營造產業創新發展生態。基于此，本文提出以下幾點啟示和建議：

（一）營造良好的人形機器人產業創新生態

引導人形機器人創新要素向基礎好、潛力大的地區匯聚，打造具有國際競爭力的人形機器人產業集群。加快建設人形機器人開源社區，促進人形機器人領域的技術交流和知識共享，降低人形機器人研發成本和門檻。建設一批人形機器人創新成果轉移轉化中心，完善科技中介服務體系，提高人形機器人創新成果產業化服務水平。建立健全人形機器人產業標準體系，加快人形機器人標準化路線圖研究，滿足人形機器人產業鏈標準化需求。

（二）提升人形機器人整機產品的制造能力

提升人形機器人整機產品的質量和可靠性，加快突破傳感器、絲桿、諧波減速器、軸承等關鍵技術，開發低成本、高精度型的人形機器人整機產品，提高人形機器人整機產品在復雜極端環境下的可靠性。增強人形機器人整機的批量化生產能力，支持有條件的省市加快構筑人形機器人通用整機平臺，解決產業發展共性問題，支持人形機器人個性化功能開發，加速人形機器人產品研制。

（三）加快推動人形機器人在多領域多場景應用

支持企業聯合高校院所等建設人形機器人中試驗證平臺，提供中試熟化、工程開發、工藝改進、軟件升級等服務，加快人形機器人產品落地和應用。加強人形機器人產品與腦機接口等前沿技術的融合，加快人形機器人新技術新產品的落地應用。打造多領域場景應用，推動人形機器人在工廠、醫療、救援、物流、農業、陪護、教育等典型場景的深度應用，提升人形機器人任務執行能力。

（作者分別系中國電子信息產業發展研究院科技與標準研究所研究總監；中國電子信息產業發展研究院科技與標準研究所助理研究員）

Research on the Development of Humanoid Robots in Major World Economies

Cao Fang Chi Haotian

Abstract： With the rapid rise of generative artificial intelligence， humanoid robots， as a product of the intersection of artificial intelligence and robotics technology， have attracted widespread attention from the world’s leading economies. This article studies the development strategies and plans of humanoid robots in major economies such as the United States， Germany， Japan， and South Korea from 2021 to 2024， and then systematically summarizes the key directions of humanoid robots in the world’s leading economies.This study found that the world’s leading economies have integrated the development of humanoid robots into artificial intelligence， robotics， materials science， and advanced manufacturing， and laid out around key areas such as perception and decision-making， control systems， and critical limbs of humanoid robots. Based on the above research， this article draws three inspirations to accelerate the development of the humanoid robot industry： creating an industrial innovation ecosystem， enhancing overall manufacturing capabilities， and accelerating multi-field and multi-scenario applications.

Keywords： Artificial Intelligence； Humanoid Robot； Development Strategy