歷經(jīng)三大發(fā)展階段，人形機器人通用化智能化進(jìn)程正在加速
人形機器人也稱仿人機器人，是指具有人類形態(tài)和功能的智能機械體。它們通常擁有頭部、軀干和四肢等類人結(jié)構(gòu)，具備感知決策、運動控制、肢體執(zhí)行等能力，能夠利用先進(jìn)的傳感器捕捉視覺、觸覺和聽覺等信息，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)類似于人類神經(jīng)傳導(dǎo)的功能，用伺服電機模擬人類關(guān)節(jié)運動。這些類人特性使得人形機器人能夠適應(yīng)人類生活和工作的各種場景，不僅可以承擔(dān)繁重危險的任務(wù)，也能通過交互協(xié)作成為人類得力助手。
自上世紀(jì)60年代至今，人形機器人的發(fā)展歷程大致分為三個階段。在千禧年之前的早期探索中，人形機器人可以行走，并在手部功能上實現(xiàn)外觀仿形和簡單運動。在其后10余年的智能化起步階段，人形機器人具備初級感知功能，可以有限度地與外界環(huán)境互動，并且運動自由度有所提升。2016年至今是智能化進(jìn)階階段，人形機器人搭載起人工智能、機器學(xué)習(xí)和計算機視覺系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，提升了感知和認(rèn)知功能，不僅能夠靈活敏捷地適應(yīng)外界環(huán)境，而且具備通識理解能力。當(dāng)前，人形機器人在環(huán)境理解和智能交互等領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，通用化智能化進(jìn)程正在加速。
從世界范圍內(nèi)看，全球人形機器人研發(fā)競爭激烈，很多國家和地區(qū)已將發(fā)展人形機器人產(chǎn)業(yè)提升至國家戰(zhàn)略高度。我國人形機器人研究與產(chǎn)業(yè)尚處培育期，但已呈現(xiàn)出加速發(fā)展趨勢，涌現(xiàn)出一批具有國際競爭力的人形機器人企業(yè)，部分技術(shù)成果已接近國際領(lǐng)先水平。
對人體的高度復(fù)刻需要前沿科學(xué)、尖端技術(shù)深度交叉融合
人形機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計是對奇妙人體的重塑，不僅需要多學(xué)科交叉融合，更是尖端科技的集大成者。其設(shè)計原理主要包含以下幾個方面。
仿生學(xué)與機械工程的有機融合。設(shè)計人形機器人，需要運用仿生學(xué)原理，通過模仿人類的身體結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，為機器人創(chuàng)造類似骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉和皮膚系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)。這不僅使其能夠像人類一樣自然地運動，還具備靈活性和適應(yīng)性。機械工程理論的新發(fā)現(xiàn)，則保證了人形機器人結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。精確選擇材料、巧妙設(shè)計結(jié)構(gòu)，能夠讓人形機器人保持穩(wěn)定高效的運行狀態(tài)，從而勝任復(fù)雜任務(wù)。
傳感技術(shù)與控制理論的集成突破。傳感器扮演著人類感知器官的角色，能夠像眼睛、耳朵和皮膚一樣感知環(huán)境信息。視覺傳感器通過攝像頭捕捉環(huán)境圖像，讓人形機器人能夠識別物體、區(qū)分顏色和形狀;聲音傳感器接收并解析語音指令，使人形機器人能夠聽懂和回應(yīng)人類的話語;力覺傳感器仿效人體的力覺感受，使人形機器人能夠精確感知與外界交互過程中的接觸力;觸覺傳感器模仿人類觸覺，幫助人形機器人精準(zhǔn)感知物體的形狀和硬度。控制系統(tǒng)是人形機器人的大腦，借助計算單元和智能算法，處理獲取的數(shù)據(jù)并作出決策。在這個過程中，多種智能算法的應(yīng)用讓機器人越來越接近人類。比如，強化學(xué)習(xí)方法通過試錯學(xué)習(xí)，調(diào)整行為策略;深度學(xué)習(xí)方法利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，處理視覺、語音識別等任務(wù);自然語言處理方法使人形機器人能夠理解人類語言并進(jìn)行交互。人形機器人集成多種傳感器與智能控制算法，突破了過去感控方法單一的局限性。
驅(qū)動方式與執(zhí)行動作的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)。人形機器人的驅(qū)動器負(fù)責(zé)將能源轉(zhuǎn)換為機械運動，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，驅(qū)動方式可分為電機、液壓、氣動等，如高效電動馬達(dá)、精密液壓系統(tǒng)、氣動人工肌肉等。執(zhí)行器則負(fù)責(zé)具體操作，可完成抓取、搬運或其他高精度動作。驅(qū)動方式與執(zhí)行動作的精準(zhǔn)協(xié)調(diào)就像是力量與動作的完美映射，通過驅(qū)動方式的選取與執(zhí)行動作的調(diào)控，人形機器人甚至能復(fù)現(xiàn)人類的微笑、皺眉、驚訝等表情，從而更加親切自然地與人類互動。
人形機器人面臨四大技術(shù)挑戰(zhàn)
雖然人形機器人的科學(xué)原理不斷清晰明朗，但當(dāng)前還有一些技術(shù)挑戰(zhàn)需要勠力攻克。
健壯靈活的四肢。人形機器人需要具備強有力且活動范圍大的四肢，以做出多樣化動作。由于電驅(qū)動成本低、靈活度高、動力強勁，大部分人形機器人都采用基于電機、驅(qū)動器和電池的電動關(guān)節(jié)形式。當(dāng)前，電池、印刷電路板等產(chǎn)業(yè)鏈較為暢通完善，為實現(xiàn)電動關(guān)節(jié)的低成本制造提供便利，也為人形機器人的大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。然而，要實現(xiàn)更強動力、更輕重量和更高控制精度，需要對關(guān)節(jié)進(jìn)行電、磁、熱、機械等多維度的物理優(yōu)化設(shè)計。
敏銳強大的神經(jīng)。人形機器人神經(jīng)系統(tǒng)的主要任務(wù)是感知外部環(huán)境并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以支持智能決策的制定。實現(xiàn)高效感知的關(guān)鍵在于先進(jìn)傳感器技術(shù)和強大數(shù)據(jù)處理能力。有的科技企業(yè)已將無人駕駛汽車的傳感器系統(tǒng)應(yīng)用于機器人研發(fā)，使人形機器人能夠?qū)崟r感知周圍環(huán)境并精確處理數(shù)據(jù)。比如，激光雷達(dá)系統(tǒng)精確測量周圍環(huán)境，有效提升人形機器人感知能力;深度相機捕捉的高精度三維圖像，提供詳細(xì)環(huán)境信息;柔性薄膜傳感器像人形機器人的“皮膚”，感知壓力和觸碰。隨著傳感器數(shù)量增加，提升傳感器數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，有效整合處理數(shù)據(jù)，成為新的研究方向。
流暢協(xié)調(diào)的小腦。類似于人類小腦，人形機器人需要依賴先進(jìn)的運動學(xué)和動力學(xué)控制算法，實現(xiàn)復(fù)雜動作的協(xié)調(diào)控制和流暢完成。這需要精確的運動學(xué)建模和實時的運動規(guī)劃控制。我國在這一領(lǐng)域取得進(jìn)展，特別是在運動控制算法和傳感器融合方面卓有成效。然而，與傳統(tǒng)的工業(yè)機械臂和柔性機械臂相比，由于人形機器人自由度高、動作模型復(fù)雜，其高精度運動控制和實時響應(yīng)速度仍有提升空間。
博學(xué)智能的大腦。人形機器人真正的“靈魂”在于智能行為和決策能力，這決定了其應(yīng)用的廣度和深度。要實現(xiàn)高度智能化的行為，人形機器人需要具備強大的計算能力和先進(jìn)的人工智能算法。在人工智能領(lǐng)域，核心算法和系統(tǒng)集成是我們的努力方向。要不斷增強人工智能的自主學(xué)習(xí)能力，提升系統(tǒng)集成度，開發(fā)更為智能和自主的決策系統(tǒng)，以實現(xiàn)人形機器人的真正智能化。
人形機器人發(fā)展重要時期即將來臨
人形機器人作為人工智能、高端制造、新材料等尖端技術(shù)的集大成者，其應(yīng)用前景無比廣闊。未來3—5年，將是人形機器人發(fā)展的重要時期。在此期間，我們有望見證關(guān)鍵技術(shù)的突破，如高性能核心零部件的研制、人工智能算法的深度應(yīng)用等，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。同時，隨著技術(shù)日益成熟、成本逐漸降低，人形機器人有望突破成本瓶頸，實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，從而應(yīng)用于更廣泛領(lǐng)域。
讓我們設(shè)想一組未來場景：在工廠中，人形機器人與技術(shù)工人并肩勞動、互為補充，極大提升生產(chǎn)效率;在家庭中，人形機器人化身貼心的管家，照顧老人、陪伴孩子，甚至可以處理繁瑣的家務(wù);在醫(yī)療領(lǐng)域，人形機器人可執(zhí)行高精度的手術(shù)，拯救生命;在應(yīng)急處置中，它們勇往直前、深入險境、開展救援。此外，在國家重大工程、科研探索等諸多領(lǐng)域，人形機器人也將發(fā)揮重要作用。
人形機器人是機器人技術(shù)的制高點，也是科技競爭的新高地、未來產(chǎn)業(yè)的新賽道、經(jīng)濟發(fā)展的新動能，將深刻影響人類生產(chǎn)生活方式和全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當(dāng)前，中國人形機器人產(chǎn)業(yè)正面臨前所未有的發(fā)展機遇，政府大力支持，科研院校聚焦技術(shù)攻關(guān)，科技企業(yè)百舸爭流，共同建立完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)。置身其中，我們深感科技的創(chuàng)新力量，更見證了人類智慧的璀璨光芒。相信在多方共同努力下，人形機器人將幫助人類邁向更加智能、便捷、高效的生活。
(作者丁漢為中國科學(xué)院院士、華中科技大學(xué)教授，陶波為華中科技大學(xué)教授)
《 人民日報 》( 2024年07月16日 第 20 版)
