人形机器人:开启人机协同新纪元

时事   2025-01-31 09:57   江苏  

在科幻作品中,人们对人形机器人应用场景有无限遐想:它们是家居护理的温情陪伴,也是抢险救灾的英勇尖兵,以超智能之姿与人类并肩同行。近年来,在人工智能、大数据、高精度传感器以及先进材料等技术的强力支撑下,人形机器人的发展迎来巨大飞跃,开始深度融入并改变人类生活与工作的方方面面。


人形机器人是一种模仿人类外形特征,且被赋予不同程度智能水平,能够在多种环境下执行各类任务的智能机械体。早期,人形机器人主要聚焦于机械结构的搭建,试图构建出类似人类的肢体形态,但其动作较为生硬、笨拙,功能也极为单一,仅能进行简单的重复性动作,例如沿着固定路线行走或抓取特定位置的物品。随着电子技术与基础编程的进步,人形机器人逐渐具备初步的感知能力,能对一些基本的环境信息如光线、声音做出反应。如今,人形机器人在运动能力与感知能力这两大关键维度上均实现了显著的提升。例如,特斯拉推出的擎天柱(Optimus)人形机器人,具有 200多个自由度,采用自动驾驶汽车的视觉感知系统,可完成单手接网球等复杂的动作。宇树科技的H1通用人形机器人是国内首台能跑的人形机器人,完成了“在蔚来汽车工厂自动拣料配送,在吉利银河工厂贴车标”的工作展示。北京具身智能机器人创新中心发布的通用机器人“天工”,实现了全球首个全尺寸纯电驱人形机器人的拟人奔跑,可在斜坡、楼梯、草地碎石、沙地等多种复杂泛化地形中实现平稳移动,拥有完整的手臂功能,具有更强的智能交互和任务执行能力。


人形机器人是一个技术高度集成的机械体,融合了精密机械工程设计和动力驱动装置,通过各装置间的紧密配合来完成各类复杂动作。早期的人形机器人为液压驱动,以满足人形机器人关节在高负荷下的快速运动需求,但液压系统零部件复杂、制造工艺要求高,导致制造成本高昂;在运行时,液压泵、阀门等元件还会产生较大噪音,影响机器人工作环境和使用体验。从应用成本及用户体验考量,全电驱动力方案成为人形机器人发展进程中具有决定性意义的关键转折点。为了实现快速加速、高负载运行等功能,行业专家和企业研发人员根据实际应用场景中对电机瞬间高功率输出、高扭矩密度等性能指标的需求,提出了高爆发伺服电机的概念,即能够在短时间内输出较大功率,快速达到额定转速并提供强大动力输出的电机。通过优化电机的磁路设计、绕组结构和材料选择,提高电机在单位体积和重量下的输出力矩,使机器人的关节能够产生足够的力量来支撑身体重量、完成各种动作,并实现快速的加速和减速。为了确保快速响应,其控制系统会采用高精度的编码器和先进的控制算法,实时监测并调整电机状态,让机器人的动作更加自然流畅。2023年宇树科技发布的 H1通用人形机器人采用了自研的高爆发电机,其腿部关节电机峰值扭矩达到了360N·m,使得人形机器人的行走姿态轻盈稳健,能够完成走跑跳等多模态运动,这是高爆发电机在人形机器人领域较为明确的一次应用。2024年,全球首个纯电驱拟人奔跑的全尺寸人形机器人“天工”发布,成为电驱人形机器人发展的重要里程碑。


人形机器人的智能化程度正在不断提升。具身智能的概念正成为该领域的热门话题。具身智能是指将人工智能融入机器人中,赋予它们学习、感知和与环境动态互动的能力。上海交通大学的研究团队通过构建世界模型仿真数据库,使机器人能够在虚拟环境中掌握真实世界的物理特性。这种创新不仅扩展了机器人的应用场景,也让其在实际操作中表现出更出色的灵活性和精准性。随着技术的不断进步,人形机器人还在情感交互方面实现了突破。许多机器人开始具备表达丰富情绪的能力,这使得它们在社会交互中变得更加人性化,不仅可以实时复刻人类的表情,还能通过视觉分析理解人类的情感。这种情感智能的引入将使人形机器人在家庭和服务行业更具吸引力,帮助人们在日常生活中建立更深层次的情感联系。


凭借类人的外形与智能交互能力,人形机器人有望在多个领域深度嵌入,重塑行业生态与社会生活模式。在工业制造领域,人形机器人能适配复杂多变、柔性化生产需求,多品种小批量生产情境下,快速切换作业流程,降低生产线改造成本,提高工厂整体生产效能与资源利用灵活性。在对精度、交互性要求极高的医疗领域,仿人机械臂辅助外科医生远程操控,突破人手生理局限,开展高难度微创、超精细手术,或为患者提供定制化训练,强化康复效果,弥补专业医护人力不足。在教育事业迈向智能化进程里,人形机器人也是创新驱动力。可以协助教师教学,利用自然语言处理、知识图谱解析学生疑问,通过生动表情、肢体动作吸引注意力,开展个性化辅导,引导社交沟通、情绪表达。在城市公共服务领域,人形机器人能够在图书馆、科技馆担任引导讲解员,借助视觉识别和导航技术行进在复杂场馆,用流畅语音、图文展示介绍馆藏、科普展品,提升公众文化科普体验。在灾难救援现场,人形搜索救援机器人可以深入废墟,利用热成像、生命探测传感器定位幸存者,凭借坚固躯体、灵活四肢,搬运障碍物、开辟救生通道,辅助救援人员远程作业,降低二次伤亡风险,提升应急响应效率。在社区安防巡逻中,与监控系统联动,识别异常人员行为、安全隐患,及时预警汇报,守护社区安宁,提升基层治理智能化水平。


人形机器人诸多潜在应用彰显强大变革力量,然机遇伴随挑战,人形机器人在技术、成本等方面仍面临着诸多挑战。当前电池技术限制人形机器人续航,频繁充电影响连续工作。高能耗动作(如快速奔跑、负重搬运)下,电量骤减,电池能量密度需有新的突破。新型能源(如氢燃料电池、超级电容器)探索应用缓慢,能量补给配套设施(无线充电网络布局等)不够完善,制约机器人户外长时间复杂任务执行效能。此外,人手精细动作,如穿针引线、微雕创作等模拟艰难,机器人触觉反馈不够敏锐,力度控制层级粗糙,对易碎易损物品操作易发生失误。在语音、视觉感知方面,距完美体验尚远。复杂场景嘈杂噪音中语音误识别多,对模糊、隐喻指令易语义曲解;视觉受光照、遮挡干扰,小物体识别精度有待提升,且多模态交互融合生硬,难实现自然流畅人机“对话”,无法深度洞察用户需求、情感,客观上削弱了服务的贴心度。


人形机器人普及将重塑人类生活。智能家居生态将更加完整,人们可以从琐碎家务解放,聚焦休闲创造;医疗康养将更加普惠大众,优质护理延伸至家庭社区;制造业将深度转型,人力向高端创意、管理岗转移,催生机器人运维、编程等新职业技能需求,拉动物联网、大数据等关联产业繁荣,缩小城乡、区域服务差距,助力社会智能化、可持续、高质量发展。


人形机器人正稳步迈进生活各个角落,成为未来生活的贴心和高效帮手,掀起生活与社会全方位革新浪潮,开启人机协同美好新纪元。



来源:《群众·大众学堂》杂志2024年第6期
作者:朱俊文(作者系南京工业大学电气工程与控制科学学院教授)
责任编辑:王昆鹏


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