人形机器人：未来发展趋势与上海策略建议
Jul 11, 2024 来源：- 作者：-
人形机器人已成为科技竞争新高地、经济发展新引擎、未来产业发展新赛道，发展潜力大，应用前景广，是加快形成新质生产力和实现科技自立自强的重要支撑。
2023年11月，习近平总书记在上海市考察调研时，一台名为GR-1的人形机器人受到习近平总书记的关注。人形机器人是具身智能的重要载体，融合机电、新材料、软件算法、控制系统等各项高端技术于一体，代表了世界机电一体化、智能化的最高技术水平。近期，以特斯拉OptimusGen2为代表的人形机器人再度开启了人形机器人的发展浪潮，加快推动人形机器人由简单的仿人交互向更智能的人机互动方向发展。
工信部的多项文件加快人形机器人发展。2023年8月，工信部等4部门联合发布的《新产业标准化领航工程实施方案（2023—2035年）》指出要加快人形机器人标准制定，助力人形机器人发展。2023年10月，工信部出台的《人形机器人创新发展指导意见》指出人形机器人集人工智能、高端制造、新材料等先进技术于一体，将深刻变革人类生产生活方式，支撑现代化产业体系建设，重塑全球产业发展格局。2024年1月，工业和信息化部等七部门发布的《关于推动未来产业创新发展的实施意见》提出要突破高转矩密度伺服电机、高动态运动规划与控制等核心技术，重点推进智能制造、家庭服务、特殊环境作业等应用场景的人形机器人研发。
一、人形机器人≠机器人+人形外壳
人形机器人，又称仿人机器人，是一种在人类工作和居住的环境工作、操作为人设计的工具和设备、与人交流、模仿人类外观和行为的智能化机器人。人形机器人通过集成传感器、执行器和算法等软硬件，能够感知周围环境、识别物体和人，高效地收集并处理物理空间的数据和信息，更好地理解人类的意图和需求，从而为人类提供优质的服务。人形机器人发展前景广阔，可广泛用于工厂、物流、救援、医疗、教育、科研、娱乐、服务等场景。
人形机器人具备人类的基本特征，如头、眼、手、腿等，有助于与人类进行更自然和直观的交互，增强人机之间的亲和力与沟通效果。人形机器人在设计上注重模仿人类的行走、抓取、表情等动作和姿态，以提供更真实的体验。人形机器人通过语音识别和语音合成技术进行语言交流，通过视觉和触觉反馈进行互动。人类天生对人类形态和行为更感兴趣和亲近，人形设计使其更容易与人类进行交互，更容易建立情感联系和共鸣，从而更易接受和信任机器人。人形机器人具备人类外观和动作，使人类更容易理解和预测其行为。这有助于提高人机之间的相互理解和协作。人形机器人的设计和外观也会受到文化、心理、应用场景等因素的影响。
人形机器人从起步阶段到高级阶段，逐步具备如下特点。自主移动：可自主移动且续航时间长；智能协同：无须人工唤醒，具备人机交互、无预设内容互动、学习和协作能力；动作灵巧性：人形机器人的脑、手臂、手指等关节活动灵活，无僵硬感；肢体微动作：能够模仿微笑、伤心等表情以及呼吸、眨眼等微小幅度的动作。
二、国内外人形机器人发展态势
人形机器人研究始于20世纪60年代后期。早期的人形机器人主要是由机械结构和电子控制系统组成的，其功能相对简单，只能执行一些基本的动作和任务。进入21世纪后，全球人形机器人研究和产业发展呈现出蓬勃发展的态势。多个国家纷纷投入巨资支持人形机器人研发，并出台了一系列政策措施来加速人形机器人产业的发展。目前，全球人形机器人研究已经取得了显著的进展，多种人形机器人相继问世，如美国的波士顿动力公司的Atlas、特斯拉公司的Optimus、本田公司的ASIMO以及我国优必选的WalkerX人形机器人等。随着技术的不断突破和应用场景的不断拓展，人形机器人的智能化水平将得到进一步提升。
2.1美日欧人形机器人研究领先
2.2我国人形机器人奋起直追
在政府和社会资金的支持下，我国人形机器人的发展迎来爆发期。北京理工大学的BHR系列、浙江大学的Wukong系列、优必选公司的Walker系列、宇树公司的机器人H1、乐聚公司的KUAVO、小米公司的CyberOne等各具特色。然而，我国人形机器人核心技术与美国、日本差距较大，关键零部件亟待突破。为此，科技部和JKW持续支持仿人基础理论和核心关键技术研究。工信部接连发文，推动人形机器人的标准制定，加快关键核心技术突破，培育重点产业，拓展应用场景。人形机器人正成为投资焦点，腾讯、联想、小鹏、美团等公司相继入局人形机器人领域，红杉、高瓴、三花控股、基石资本等知名投资机构积极布局人形机器人。2023年，我国10余款人形机器人整机问世，如宇树公司的H1、乐聚公司的KUAVO、优必选公司的WalkerS、追觅科技的通用人形机器人、小鹏汽车的PX5等。
上海集聚了大量的人形机器人整机研发与应用的企业。傅利叶智能的GR-1突破了人形机器人关键的高性能执行器，实现了自然行走和一定的任务执行能力。智元机器人公司的A1采用“CPU+GPU”架构，利用无须联网的“端脑”，实现人机交互。达闼公司的XR4采用并联驱动结构和高扭矩密度电机实现了高灵敏高动态运动。中国电子科技集团公司第二二十一研究所（简称“中电科21所”）的电科机器人1号引入了视觉识别与感知系统、运动规划算法，可用于智慧物流场景。
2.3全球人形机器人竞争格局
全球人形机器人竞争格局呈现出多元化、区域化和跨界融合的特点。美国、中国、日本和欧洲等国家和地区是全球人形机器人企业分布最为集中的区域。美国人形机器人企业，如波士顿动力、敏捷机器人、特斯拉、1XTechnologies、Apptronik和Figure等，凭借其深厚的技术积累和创新能力，在全球人形机器人竞争中处于领先地位。这些公司的产品在运动控制、智能感知、人机交互等方面具有显著优势。英国工程艺术公司在人形机器人设计和制造方面也具有独特的技术和量产成本优势，使其在全球市场上占有一席之地。日本本田公司的ASIMO系列人形机器人而闻名于世，其在机器人运动控制和智能化方面有着深厚的积累。小米、星动纪元、钢铁侠、智造未来、傅利叶智能、智元机器人、达闼、中电科21所、钛虎、优必选、乐聚、小鹏汽车、纯米、追觅科技、宇树等公司积极推进人形机器人整机研发。这些企业通过自主研发和创新，不断提升产品的技术水平和市场竞争力，推动了中国人形机器人产业的快速发展。
三、人形机器人发展趋势
3.1电机驱动：人形机器人的主流驱动形式
人形机器人的驱动类型主要分为电机驱动和液压驱动两种，每种驱动方式都有其优势和不足。在以特斯拉Optimus、本田ASIMO、优必选WalkerX和傅利叶智能GR-1等为代表的电机驱动中，伺服驱动器将位置、速度、扭矩等信号传送至伺服电机。伺服电机在接收到信号后，将其转换为扭矩和转速，从而驱动控制对象，并通过减速器调节扭矩，优化低速运动的平稳性，能够满足人形机器人的大多数运动需求。电机驱动具有较好的低速运动平稳性，具备易维护、低成本、零件规整等优势，但其存在能量输出密度低、能耗大和散热要求高等问题。在以波士顿动力Atlas为代表的液压驱动中，液压驱动核心原理是通过液体压缩泵产生高压液体，高压强作用于缸体产生巨大推力，带动机器人关节运动。液压驱动的单位能量输出密度更大，适应性强，能够有效实现仿人机器人的运动能力。液压驱动存在噪音大、易漏液、对污染敏感、对液压元件的精度质量要求高、对维护团队要求高、造价高等问题。
3.2通用：人形机器人发展的必然趋势
人形机器人发展可分为专用人形机器人和通用人形机器人两个阶段。第一阶段，围绕工厂制造、康养、物流配送、仓库分拣等众多场景，形成专用人形机器人。这一阶段的人形机器人基于特定应用场景提供定制化解决方案，但离大规模推广还有一定的距离。第二阶段，通过技术迭代和大模型构建，打造适用于所有场景的通用人形机器人。这一阶段的人形机器人将具备跨场景、跨任务的通用能力，可以适应各种复杂环境，并根据用户需求提供个性化的服务和体验。
通用人形机器人的发展离不开运动、操作和智能三大关键技术的突破。在运动能力方面，仿人关节设计与制造、高动态控制等技术的进步将使人形机器人能够更好地模拟人类的形态和行为。在操作能力方面，轻量化仿人臂手设计与拟人化操作控制技术的创新将赋予人形机器人更强大的操作执行能力。在智能方面，以ChatGPT为代表的人工智能技术的飞速发展，将推动人形机器人从弱人工智能向通用人工智能的演进。
未来，通用人形机器人的发展将更加注重个性化。消费者可以根据自己的需求和喜好，定制不同功能、外观和性能的人形机器人。这将使人形机器人更加普及化和个性化，为人们的生活带来更多的便利和乐趣。人形机器人将不仅在工业、医疗、教育等领域得到广泛应用，还将逐渐渗透到人们的日常生活中，成为未来社会的重要组成部分。
3.3规范和治理：人形机器人发展的重中之重
规范和治理是人形机器人发展的重中之重。作为一名与人类紧密互动的伙伴，人形机器人涉及的安全、伦理以及社会影响问题不容忽视。在安全方面，人形机器人发展要重视置安全屏障、加密数据传输、保护用户隐私等安全措施的制定，确保人形机器人的应用不会对人类造成危害。在伦理方面，人形机器人发展可以通过制定人形机器人伦理指南、建立伦理审查机制、登记制度、制定使用协议等方式加强伦理指导和监管，促使人形机器人的研发和应用符合人类价值观和伦理原则。在社会影响方面，政府要加大对劳动力（尤其是弱势群体）的技能教育和培训投入，提供转岗、培训和再就业支持，增强新就业环境适应能力。
四、上海发展人形机器人的对策建议
上海发展人形机器人具有良好的基础和优势。例如，中电科21所在高功率密度微型伺服电机方面与国际水平持平；上海交通大学在运动控制理论、自主学习与行为发育技术、液压驱动、功能-结构-材料-制造一体化、机械臂与灵巧手和仿生关节与脊柱等方面有良好的研究积累；傅利叶智能在类人仿生运动行为控制技术方面具有多年积累，并自主研制了高密度一体化执行器关节；上海交通大学、复旦大学、上海大学在感知和认知领域拥有较多原创性成果。
然而，上海人形机器人发展面临着执行器、传感器、专用芯片、操作系统、人机交互技术、仿真系统等关键零部件和技术竞争力差、人形机器人相关领域产研合作不深、产业化速度慢等问题。通用人形机器人是引领下一次技术革命和产业革命的关键，具有颠覆性影响和战略意义。为此，提出以下建议：
一是加强人形机器人关键核心技术研发和布局。加强执行器、传感器、专用芯片、操作系统等关键零部件和技术的研发与创新。布局人形机器人人机交互技术，建立云-边-端系统，共享数据、模型、知识库等，优化前端模型准确度。推进人体神经信号控制技术，脑电、肌电、视觉、触/力觉信息融合、人-机协同、机-机协同等技术研发，加快人形机器人运动、认知、感知等技术突破，强化类人仿生运动行为控制技术、自主学习与行为发育技术、多模态信息的人机自然交互技术发展，探索人形机器人学习技能、使用工具、自主学习等技术。制定引导、优惠、转化等专项政策措施，加快汇聚国内外人形机器人领域相关企业和技术。加强政府引导，沿人形机器人产业链布局技术联盟，推动政府、高校、科研院所、企业密切协同合作，加强跨领域共性技术研发，提升人形机器人相关领域技术研发能力。
二是积极打造多样化人形机器人应用场景。以傅利叶智能、中电科、达闼、智元机器人等企业为主体，围绕仓库拣选、物流、康养等场景，加快专用人形机器人研发。以专用人形机器人为蓝本，加强傅利叶智能、达闼、中电科、智元机器人等企业与博物馆、科技馆、景区、制造业企业等合作，积极打造适用于教育、展览演出、游戏娱乐、工厂制造、家庭服务等通用场景的人形机器人。创建通用人形机器人联盟，加快技术迭代和整合，加快通用人形机器人发展。
三是强化产研合作。鼓励人形机器人企业与科研机构组建产研联合体，实现技术研发、产品开发、市场推广等环节的深度融合。针对人形机器人产业发展的关键技术难题，设立联合研发项目，由企业和科研机构共同承担研发任务。加强产研对接平台建设，完善平台功能，提供技术需求发布、项目对接、成果展示、交易撮合等一站式服务。设立专项资金、提供贷款贴息等方式，鼓励人形机器人企业和科研机构进行产研合作。
四是加快建设风险分担机制。加快上海人形机器人领域风险分担机制建设，合理化科学家、科研机构、企业、政府在人形机器人领域研发的风险分担比例和收益获取比例。建立容错机制，鼓励科研人员探索、挑战未知，并保障容错机制有效运行。建立上海人形机器人领域中长期的投资机制，为人形机器人的发展提供长期资金保障。
五是加强人才培养与引进。与高校、科研机构合作，建立人形机器人专业人才培养基地，提供系统化、专业化的培训课程，培养具备专业技能和知识的人才。定期举办国际人形机器人学术交流活动，邀请国内外专家学者参与，分享最新的研究成果和技术进展。制定针对人形机器人领域的人才引进计划，建立完善的人才引进机制，简化引进流程，为优秀人才提供良好的发展平台和职业晋升通道。
（作者：余全明，上海市科学学研究所博士后）
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