歷經三大發展階段，人形機器人通用化智能化進程正在加速

　　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構，具備感知決策、運動控制、肢體執行等能力，能夠利用先進的傳感器捕捉視覺、觸覺和聽覺等信息，并通過控制系統實現類似于人類神經傳導的功能，用伺服電機模擬人類關節運動。這些類人特性使得人形機器人能夠適應人類生活和工作的各種場景，不僅可以承擔繁重危險的任務，也能通過交互協作成為人類得力助手。

　　自上世紀60年代至今，人形機器人的發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境互動，并且運動自由度有所提升。2016年至今是智能化進階階段，人形機器人搭載起人工智能、機器學習和計算機視覺系統等先進技術，提升了感知和認知功能，不僅能夠靈活敏捷地適應外界環境，而且具備通識理解能力。當前，人形機器人在環境理解和智能交互等領域取得顯著進展，通用化智能化進程正在加速。

　　從世界范圍內看，全球人形機器人研發競爭激烈，很多國家和地區已將發展人形機器人產業提升至國家戰略高度。我國人形機器人研究與產業尚處培育期，但已呈現出加速發展趨勢，涌現出一批具有國際競爭力的人形機器人企業，部分技術成果已接近國際領先水平。

　　對人體的高度復刻需要前沿科學、尖端技術深度交叉融合

　　人形機器人的結構設計是對奇妙人體的重塑，不僅需要多學科交叉融合，更是尖端科技的集大成者。其設計原理主要包含以下幾個方面。

　　仿生學與機械工程的有機融合。設計人形機器人，需要運用仿生學原理，通過模仿人類的身體結構和運動規律，為機器人創造類似骨骼、關節、肌肉和皮膚系統的機械結構。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性。機械工程理論的新發現，則保證了人形機器人結構的穩固。精確選擇材料、巧妙設計結構，能夠讓人形機器人保持穩定高效的運行狀態，從而勝任復雜任務。

　　傳感技術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境信息。視覺傳感器通過攝像頭捕捉環境圖像，讓人形機器人能夠識別物體、區分顏色和形狀;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感知物體的形狀和硬度。控制系統是人形機器人的大腦，借助計算單元和智能算法，處理獲取的數據并作出決策。在這個過程中，多種智能算法的應用讓機器人越來越接近人類。比如，強化學習方法通過試錯學習，調整行為策略;深度學習方法利用深度神經網絡，處理視覺、語音識別等任務;自然語言處理方法使人形機器人能夠理解人類語言并進行交互。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。

　　驅動方式與執行動作的精準協調。人形機器人的驅動器負責將能源轉換為機械運動，根據能量轉換方式的不同，驅動方式可分為電機、液壓、氣動等，如高效電動馬達、精密液壓系統、氣動人工肌肉等。執行器則負責具體操作，可完成抓取、搬運或其他高精度動作。驅動方式與執行動作的精準協調就像是力量與動作的完美映射，通過驅動方式的選取與執行動作的調控，人形機器人甚至能復現人類的微笑、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挑戰

　　雖然人形機器人的科學原理不斷清晰明朗，但當前還有一些技術挑戰需要勠力攻克。

　　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、驅動器和電池的電動關節形式。當前，電池、印刷電路板等產業鏈較為暢通完善，為實現電動關節的低成本制造提供便利，也為人形機器人的大規模生產奠定基礎。然而，要實現更強動力、更輕重量和更高控制精度，需要對關節進行電、磁、熱、機械等多維度的物理優化設計。

　　敏銳強大的神經。人形機器人神經系統的主要任務是感知外部環境并對數據進行處理，以支持智能決策的制定。實現高效感知的關鍵在于先進傳感器技術和強大數據處理能力。有的科技企業已將無人駕駛汽車的傳感器系統應用于機器人研發，使人形機器人能夠實時感知周圍環境并精確處理數據。比如，激光雷達系統精確測量周圍環境，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，提供詳細環境信息;柔性薄膜傳感器像人形機器人的“皮膚”，感知壓力和觸碰。隨著傳感器數量增加，提升傳感器數據的實時性和準確性，有效整合處理數據，成為新的研究方向。

　　流暢協調的小腦。類似于人類小腦，人形機器人需要依賴先進的運動學和動力學控制算法，實現復雜動作的協調控制和流暢完成。這需要精確的運動學建模和實時的運動規劃控制。我國在這一領域取得進展，特別是在運動控制算法和傳感器融合方面卓有成效。然而，與傳統的工業機械臂和柔性機械臂相比，由于人形機器人自由度高、動作模型復雜，其高精度運動控制和實時響應速度仍有提升空間。

　　博學智能的大腦。人形機器人真正的“靈魂”在于智能行為和決策能力，這決定了其應用的廣度和深度。要實現高度智能化的行為，人形機器人需要具備強大的計算能力和先進的人工智能算法。在人工智能領域，核心算法和系統集成是我們的努力方向。要不斷增強人工智能的自主學習能力，提升系統集成度，開發更為智能和自主的決策系統，以實現人形機器人的真正智能化。

　　人形機器人發展重要時期即將來臨

　　人形機器人作為人工智能、高端制造、新材料等尖端技術的集大成者，其應用前景無比廣闊。未來3—5年，將是人形機器人發展的重要時期。在此期間，我們有望見證關鍵技術的突破，如高性能核心零部件的研制、人工智能算法的深度應用等，為產業化發展奠定堅實基礎。同時，隨著技術日益成熟、成本逐漸降低，人形機器人有望突破成本瓶頸，實現規模化量產，從而應用于更廣泛領域。

　　讓我們設想一組未來場景：在工廠中，人形機器人與技術工人并肩勞動、互為補充，極大提升生產效率;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;在醫療領域，人形機器人可執行高精度的手術，拯救生命;在應急處置中，它們勇往直前、深入險境、開展救援。此外，在國家重大工程、科研探索等諸多領域，人形機器人也將發揮重要作用。

　　人形機器人是機器人技術的制高點，也是科技競爭的新高地、未來產業的新賽道、經濟發展的新動能，將深刻影響人類生產生活方式和全球產業發展。當前，中國人形機器人產業正面臨前所未有的發展機遇，政府大力支持，科研院校聚焦技術攻關，科技企業百舸爭流，共同建立完善產業生態。置身其中，我們深感科技的創新力量，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院院士、華中科技大學教授，陶波為華中科技大學教授)

　　《 人民日報 》( 2024年07月16日 第 20 版)