人形機器人：未來發展趨勢與上海策略建議
2024-7-11 來源：- 作者：-
人形機器人已成為科技競爭新高地、經濟發展新引擎、未來產業發展新賽道，發展潛力大，應用前景廣，是加快形成新質生產力和實現科技自立自強的重要支撐。
2023年11月，習近平總書記在上海市考察調研時，一臺名為GR-1的人形機器人受到習近平總書記的關注。人形機器人是具身智能的重要載體，融合機電、新材料、軟件算法、控制系統等各項高端技術于一體，代表了世界機電一體化、智能化的最高技術水平。近期，以特斯拉OptimusGen2為代表的人形機器人再度開啟了人形機器人的發展浪潮，加快推動人形機器人由簡單的仿人交互向更智能的人機互動方向發展。
工信部的多項文件加快人形機器人發展。2023年8月，工信部等4部門聯合發布的《新產業標準化領航工程實施方案（2023—2035年）》指出要加快人形機器人標準制定，助力人形機器人發展。2023年10月，工信部出臺的《人形機器人創新發展指導意見》指出人形機器人集人工智能、高端制造、新材料等先進技術于一體，將深刻變革人類生產生活方式，支撐現代化產業體系建設，重塑全球產業發展格局。2024年1月，工業和信息化部等七部門發布的《關于推動未來產業創新發展的實施意見》提出要突破高轉矩密度伺服電機、高動態運動規劃與控制等核心技術，重點推進智能制造、家庭服務、特殊環境作業等應用場景的人形機器人研發。
一、人形機器人≠機器人+人形外殼
人形機器人，又稱仿人機器人，是一種在人類工作和居住的環境工作、操作為人設計的工具和設備、與人交流、模仿人類外觀和行為的智能化機器人。人形機器人通過集成傳感器、執行器和算法等軟硬件，能夠感知周圍環境、識別物體和人，高效地收集并處理物理空間的數據和信息，更好地理解人類的意圖和需求，從而為人類提供優質的服務。人形機器人發展前景廣闊，可廣泛用于工廠、物流、救援、醫療、教育、科研、娛樂、服務等場景。
人形機器人具備人類的基本特征，如頭、眼、手、腿等，有助于與人類進行更自然和直觀的交互，增強人機之間的親和力與溝通效果。人形機器人在設計上注重模仿人類的行走、抓取、表情等動作和姿態，以提供更真實的體驗。人形機器人通過語音識別和語音合成技術進行語言交流，通過視覺和觸覺反饋進行互動。人類天生對人類形態和行為更感興趣和親近，人形設計使其更容易與人類進行交互，更容易建立情感聯系和共鳴，從而更易接受和信任機器人。人形機器人具備人類外觀和動作，使人類更容易理解和預測其行為。這有助于提高人機之間的相互理解和協作。人形機器人的設計和外觀也會受到文化、心理、應用場景等因素的影響。
人形機器人從起步階段到高級階段，逐步具備如下特點。自主移動：可自主移動且續航時間長；智能協同：無須人工喚醒，具備人機交互、無預設內容互動、學習和協作能力；動作靈巧性：人形機器人的腦、手臂、手指等關節活動靈活，無僵硬感；肢體微動作：能夠模仿微笑、傷心等表情以及呼吸、眨眼等微小幅度的動作。
二、國內外人形機器人發展態勢
人形機器人研究始于20世紀60年代后期。早期的人形機器人主要是由機械結構和電子控制系統組成的，其功能相對簡單，只能執行一些基本的動作和任務。進入21世紀后，全球人形機器人研究和產業發展呈現出蓬勃發展的態勢。多個國家紛紛投入巨資支持人形機器人研發，并出臺了一系列政策措施來加速人形機器人產業的發展。目前，全球人形機器人研究已經取得了顯著的進展，多種人形機器人相繼問世，如美國的波士頓動力公司的Atlas、特斯拉公司的Optimus、本田公司的ASIMO以及我國優必選的WalkerX人形機器人等。隨著技術的不斷突破和應用場景的不斷拓展，人形機器人的智能化水平將得到進一步提升。
2.1美日歐人形機器人研究領先
2.2我國人形機器人奮起直追
在政府和社會資金的支持下，我國人形機器人的發展迎來爆發期。北京理工大學的BHR系列、浙江大學的Wukong系列、優必選公司的Walker系列、宇樹公司的機器人H1、樂聚公司的KUAVO、小米公司的CyberOne等各具特色。然而，我國人形機器人核心技術與美國、日本差距較大，關鍵零部件亟待突破。為此，科技部和JKW持續支持仿人基礎理論和核心關鍵技術研究。工信部接連發文，推動人形機器人的標準制定，加快關鍵核心技術突破，培育重點產業，拓展應用場景。人形機器人正成為投資焦點，騰訊、聯想、小鵬、美團等公司相繼入局人形機器人領域，紅杉、高瓴、三花控股、基石資本等知名投資機構積極布局人形機器人。2023年，我國10余款人形機器人整機問世，如宇樹公司的H1、樂聚公司的KUAVO、優必選公司的WalkerS、追覓科技的通用人形機器人、小鵬汽車的PX5等。
上海集聚了大量的人形機器人整機研發與應用的企業。傅利葉智能的GR-1突破了人形機器人關鍵的高性能執行器，實現了自然行走和一定的任務執行能力。智元機器人公司的A1采用“CPU+GPU”架構，利用無須聯網的“端腦”，實現人機交互。達闥公司的XR4采用并聯驅動結構和高扭矩密度電機實現了高靈敏高動態運動。中國電子科技集團公司第二二十一研究所（簡稱“中電科21所”）的電科機器人1號引入了視覺識別與感知系統、運動規劃算法，可用于智慧物流場景。
2.3全球人形機器人競爭格局
全球人形機器人競爭格局呈現出多元化、區域化和跨界融合的特點。美國、中國、日本和歐洲等國家和地區是全球人形機器人企業分布最為集中的區域。美國人形機器人企業，如波士頓動力、敏捷機器人、特斯拉、1XTechnologies、Apptronik和Figure等，憑借其深厚的技術積累和創新能力，在全球人形機器人競爭中處于領先地位。這些公司的產品在運動控制、智能感知、人機交互等方面具有顯著優勢。英國工程藝術公司在人形機器人設計和制造方面也具有獨特的技術和量產成本優勢，使其在全球市場上占有一席之地。日本本田公司的ASIMO系列人形機器人而聞名于世，其在機器人運動控制和智能化方面有著深厚的積累。小米、星動紀元、鋼鐵俠、智造未來、傅利葉智能、智元機器人、達闥、中電科21所、鈦虎、優必選、樂聚、小鵬汽車、純米、追覓科技、宇樹等公司積極推進人形機器人整機研發。這些企業通過自主研發和創新，不斷提升產品的技術水平和市場競爭力，推動了中國人形機器人產業的快速發展。
三、人形機器人發展趨勢
3.1電機驅動：人形機器人的主流驅動形式
人形機器人的驅動類型主要分為電機驅動和液壓驅動兩種，每種驅動方式都有其優勢和不足。在以特斯拉Optimus、本田ASIMO、優必選WalkerX和傅利葉智能GR-1等為代表的電機驅動中，伺服驅動器將位置、速度、扭矩等信號傳送至伺服電機。伺服電機在接收到信號后，將其轉換為扭矩和轉速，從而驅動控制對象，并通過減速器調節扭矩，優化低速運動的平穩性，能夠滿足人形機器人的大多數運動需求。電機驅動具有較好的低速運動平穩性，具備易維護、低成本、零件規整等優勢，但其存在能量輸出密度低、能耗大和散熱要求高等問題。在以波士頓動力Atlas為代表的液壓驅動中，液壓驅動核心原理是通過液體壓縮泵產生高壓液體，高壓強作用于缸體產生巨大推力，帶動機器人關節運動。液壓驅動的單位能量輸出密度更大，適應性強，能夠有效實現仿人機器人的運動能力。液壓驅動存在噪音大、易漏液、對污染敏感、對液壓元件的精度質量要求高、對維護團隊要求高、造價高等問題。
3.2通用：人形機器人發展的必然趨勢
人形機器人發展可分為專用人形機器人和通用人形機器人兩個階段。第一階段，圍繞工廠制造、康養、物流配送、倉庫分揀等眾多場景，形成專用人形機器人。這一階段的人形機器人基于特定應用場景提供定制化解決方案，但離大規模推廣還有一定的距離。第二階段，通過技術迭代和大模型構建，打造適用于所有場景的通用人形機器人。這一階段的人形機器人將具備跨場景、跨任務的通用能力，可以適應各種復雜環境，并根據用戶需求提供個性化的服務和體驗。
通用人形機器人的發展離不開運動、操作和智能三大關鍵技術的突破。在運動能力方面，仿人關節設計與制造、高動態控制等技術的進步將使人形機器人能夠更好地模擬人類的形態和行為。在操作能力方面，輕量化仿人臂手設計與擬人化操作控制技術的創新將賦予人形機器人更強大的操作執行能力。在智能方面，以ChatGPT為代表的人工智能技術的飛速發展，將推動人形機器人從弱人工智能向通用人工智能的演進。
未來，通用人形機器人的發展將更加注重個性化。消費者可以根據自己的需求和喜好，定制不同功能、外觀和性能的人形機器人。這將使人形機器人更加普及化和個性化，為人們的生活帶來更多的便利和樂趣。人形機器人將不僅在工業、醫療、教育等領域得到廣泛應用，還將逐漸滲透到人們的日常生活中，成為未來社會的重要組成部分。
3.3規范和治理：人形機器人發展的重中之重
規范和治理是人形機器人發展的重中之重。作為一名與人類緊密互動的伙伴，人形機器人涉及的安全、倫理以及社會影響問題不容忽視。在安全方面，人形機器人發展要重視置安全屏障、加密數據傳輸、保護用戶隱私等安全措施的制定，確保人形機器人的應用不會對人類造成危害。在倫理方面，人形機器人發展可以通過制定人形機器人倫理指南、建立倫理審查機制、登記制度、制定使用協議等方式加強倫理指導和監管，促使人形機器人的研發和應用符合人類價值觀和倫理原則。在社會影響方面，政府要加大對勞動力（尤其是弱勢群體）的技能教育和培訓投入，提供轉崗、培訓和再就業支持，增強新就業環境適應能力。
四、上海發展人形機器人的對策建議
上海發展人形機器人具有良好的基礎和優勢。例如，中電科21所在高功率密度微型伺服電機方面與國際水平持平；上海交通大學在運動控制理論、自主學習與行為發育技術、液壓驅動、功能-結構-材料-制造一體化、機械臂與靈巧手和仿生關節與脊柱等方面有良好的研究積累；傅利葉智能在類人仿生運動行為控制技術方面具有多年積累，并自主研制了高密度一體化執行器關節；上海交通大學、復旦大學、上海大學在感知和認知領域擁有較多原創性成果。
然而，上海人形機器人發展面臨著執行器、傳感器、專用芯片、操作系統、人機交互技術、仿真系統等關鍵零部件和技術競爭力差、人形機器人相關領域產研合作不深、產業化速度慢等問題。通用人形機器人是引領下一次技術革命和產業革命的關鍵，具有顛覆性影響和戰略意義。為此，提出以下建議：
一是加強人形機器人關鍵核心技術研發和布局。加強執行器、傳感器、專用芯片、操作系統等關鍵零部件和技術的研發與創新。布局人形機器人人機交互技術，建立云-邊-端系統，共享數據、模型、知識庫等，優化前端模型準確度。推進人體神經信號控制技術，腦電、肌電、視覺、觸/力覺信息融合、人-機協同、機-機協同等技術研發，加快人形機器人運動、認知、感知等技術突破，強化類人仿生運動行為控制技術、自主學習與行為發育技術、多模態信息的人機自然交互技術發展，探索人形機器人學習技能、使用工具、自主學習等技術。制定引導、優惠、轉化等專項政策措施，加快匯聚國內外人形機器人領域相關企業和技術。加強政府引導，沿人形機器人產業鏈布局技術聯盟，推動政府、高校、科研院所、企業密切協同合作，加強跨領域共性技術研發，提升人形機器人相關領域技術研發能力。
二是積極打造多樣化人形機器人應用場景。以傅利葉智能、中電科、達闥、智元機器人等企業為主體，圍繞倉庫揀選、物流、康養等場景，加快專用人形機器人研發。以專用人形機器人為藍本，加強傅利葉智能、達闥、中電科、智元機器人等企業與博物館、科技館、景區、制造業企業等合作，積極打造適用于教育、展覽演出、游戲娛樂、工廠制造、家庭服務等通用場景的人形機器人。創建通用人形機器人聯盟，加快技術迭代和整合，加快通用人形機器人發展。
三是強化產研合作。鼓勵人形機器人企業與科研機構組建產研聯合體，實現技術研發、產品開發、市場推廣等環節的深度融合。針對人形機器人產業發展的關鍵技術難題，設立聯合研發項目，由企業和科研機構共同承擔研發任務。加強產研對接平臺建設，完善平臺功能，提供技術需求發布、項目對接、成果展示、交易撮合等一站式服務。設立專項資金、提供貸款貼息等方式，鼓勵人形機器人企業和科研機構進行產研合作。
四是加快建設風險分擔機制。加快上海人形機器人領域風險分擔機制建設，合理化科學家、科研機構、企業、政府在人形機器人領域研發的風險分擔比例和收益獲取比例。建立容錯機制，鼓勵科研人員探索、挑戰未知，并保障容錯機制有效運行。建立上海人形機器人領域中長期的投資機制，為人形機器人的發展提供長期資金保障。
五是加強人才培養與引進。與高校、科研機構合作，建立人形機器人專業人才培養基地，提供系統化、專業化的培訓課程，培養具備專業技能和知識的人才。定期舉辦國際人形機器人學術交流活動，邀請國內外專家學者參與，分享最新的研究成果和技術進展。制定針對人形機器人領域的人才引進計劃，建立完善的人才引進機制，簡化引進流程，為優秀人才提供良好的發展平臺和職業晉升通道。
（作者：余全明，上海市科學學研究所博士后）
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