作者：Yuchuang Tong , Haotian Liu , and Zhengtao Zhang
翻譯：太陽(yáng)
編者按：
工信部此前發(fā)布的《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》，旨在推動(dòng)人形機(jī)器人的研發(fā)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，特別強(qiáng)調(diào)了人形機(jī)器人集成先進(jìn)技術(shù)（人工智能、高端制造、新材料）的潛在顛覆性，將其視為未來(lái)產(chǎn)業(yè)的新賽道。對(duì)人形機(jī)器人的系統(tǒng)性論述，有助于我們更系統(tǒng)的了解該領(lǐng)域的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和面臨挑戰(zhàn)的全面分析，能夠更清晰的認(rèn)識(shí)未來(lái)的發(fā)展方向，把握人形機(jī)器人未來(lái)發(fā)展過(guò)程中的機(jī)會(huì)。
摘要：
文章全面論述了人形機(jī)器人的現(xiàn)狀、進(jìn)展和未來(lái)前景，強(qiáng)調(diào)其在推動(dòng)下一代產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要意義。通過(guò)綜合多學(xué)科研究成果，全面分析各方面工作和關(guān)鍵技術(shù)，包括機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、控制、決策、感知和交互，對(duì)人形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀做了詳盡概述。同時(shí)，文章指出了該領(lǐng)域當(dāng)前面臨的全新挑戰(zhàn)，特別強(qiáng)調(diào)了深入了解生物運(yùn)動(dòng)機(jī)制、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)材料應(yīng)用、提升先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)和控制方法以及有效利用能源的必要性。技術(shù)創(chuàng)新使得人形機(jī)器人有望成為下一代產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)力量，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)仿生學(xué)、類腦啟發(fā)智能、機(jī)械和控制的整合，認(rèn)為這是開(kāi)發(fā)先進(jìn)人形機(jī)器人系統(tǒng)極具潛力的發(fā)展方向。
1.概念和特征
人形機(jī)器人通過(guò)精良設(shè)計(jì)，能夠高效模仿人類外觀和行為，熟練地復(fù)現(xiàn)人類感知、決策和交互等能力。該領(lǐng)域發(fā)展的主要目標(biāo)是創(chuàng)造出能夠在非結(jié)構(gòu)化和動(dòng)態(tài)環(huán)境中持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)的機(jī)器人產(chǎn)品，最終使人類受益并推動(dòng)人類社會(huì)的進(jìn)步。
與其他形式的機(jī)器人相比，人形機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其類人設(shè)計(jì)，包括軀干、手臂和腿部等，增強(qiáng)了對(duì)以人類為中心的環(huán)境適應(yīng)性，提高社會(huì)接受度，并能夠進(jìn)行復(fù)雜的交互。這種擬人化設(shè)計(jì)便于與人類進(jìn)行自然交互，使其在醫(yī)療保健和教育等領(lǐng)域發(fā)揮重要價(jià)值。雙足移動(dòng)能力使人形機(jī)器人能夠在人類空間中高效移動(dòng)，而其先進(jìn)的操作能力和靈巧性使其能夠完成復(fù)雜的任務(wù)。人形機(jī)器人的認(rèn)知能力提高了自主性和適應(yīng)性。此外，其人機(jī)安全特性、社會(huì)接受度以及對(duì)人類環(huán)境的適應(yīng)性，使其適合承擔(dān)協(xié)作角色。不過(guò)在這些潛在優(yōu)勢(shì)下，人形機(jī)器人目前在平衡和能源效率等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)，因此未來(lái)的持續(xù)研究對(duì)于充分發(fā)揮人形機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力至關(guān)重要。
2.發(fā)展進(jìn)程
人形機(jī)器人的探索始于20世紀(jì)70年代，并在21世紀(jì)初迎來(lái)顯著的發(fā)展。從最初模仿人類外觀和基本動(dòng)作，逐步演變?yōu)閾碛蓄惾酥悄芟到y(tǒng)，這一進(jìn)化過(guò)程可劃分為三個(gè)階段，如圖1所示。首階段始于20世紀(jì)60年代末，以早稻田大學(xué)等機(jī)構(gòu)在雙足行走機(jī)器人領(lǐng)域的先驅(qū)研究為代表。第二階段以本田的人形機(jī)器人為標(biāo)志，引入高度集成系統(tǒng)和感知控制技術(shù)，使機(jī)器人具備了基本感知和簡(jiǎn)單判斷的能力。第三階段由波士頓動(dòng)力和特斯拉領(lǐng)導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了高度動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知能力的顯著提升，能夠獨(dú)立執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。
圖1 人形機(jī)器人的歷史進(jìn)展
特斯拉等知名企業(yè)進(jìn)入人形機(jī)器人領(lǐng)域，凸顯了成熟創(chuàng)新企業(yè)涉足新技術(shù)領(lǐng)域的重要性。這些公司帶來(lái)了資金、人才和社會(huì)的關(guān)注，這對(duì)于機(jī)器人等資本密集型領(lǐng)域至關(guān)重要?？偟膩?lái)講，學(xué)術(shù)界通過(guò)奠定理論基礎(chǔ)、開(kāi)展早期研究，對(duì)培育創(chuàng)新理念做出貢獻(xiàn)，而工業(yè)界則推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用和規(guī)模化發(fā)展。
3.主要研發(fā)方向
人形機(jī)器人的發(fā)展呈現(xiàn)兩大主要方向：一種是旨在外部仿真，即復(fù)制人類外觀和功能。通過(guò)吸收對(duì)人類行為的理解，使機(jī)器人能夠以類似于人類的方式執(zhí)行任務(wù)，該方向在控制器設(shè)計(jì)方面仍存在一些挑戰(zhàn)。另一種專注于內(nèi)部模擬，創(chuàng)造具有人類內(nèi)部結(jié)構(gòu)的智能機(jī)器人，目標(biāo)是建立與人類伙伴的共情和深度合作。到目前為止，全球范圍內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人的類人機(jī)制、腦啟發(fā)算法、神經(jīng)形態(tài)芯片和肌肉骨骼系統(tǒng)方面已取得了顯著進(jìn)展。
在日本，人形機(jī)器人的研究重點(diǎn)主要集中在形態(tài)模擬領(lǐng)域，特別強(qiáng)調(diào)了開(kāi)發(fā)逼真的仿生機(jī)器人，以在服務(wù)型場(chǎng)景中應(yīng)用。相較之下，在美國(guó)，人形機(jī)器人的研究注重于理解人腦的機(jī)制和功能模擬，在復(fù)雜環(huán)境中操作機(jī)器人方面取得了顯著進(jìn)展，為潛在的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。許多其他國(guó)家的人形機(jī)器人研究受到美國(guó)和日本獨(dú)特研究的啟發(fā)和影響，推動(dòng)了更多的創(chuàng)新研究和發(fā)展。圖2展示了各國(guó)獨(dú)特的人形機(jī)器人設(shè)計(jì)，每個(gè)機(jī)器人都具備獨(dú)特的屬性和能力。表1則進(jìn)一步對(duì)一些代表性產(chǎn)品的性能參數(shù)情況做了展示。
圖2 各個(gè)國(guó)家人形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
表1 典型的人形機(jī)器人性能參數(shù)情況
4.本體機(jī)構(gòu)與模塊
人形機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其靈感源于人體復(fù)雜結(jié)構(gòu)和微妙動(dòng)作的巧妙組合。這種設(shè)計(jì)不僅在促進(jìn)實(shí)際交互方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，還為研究雙足行走及相關(guān)領(lǐng)域提供了重要的研究平臺(tái)。表1和表2通過(guò)對(duì)各種人形機(jī)器人參數(shù)的綜合比較，包括自由度、重量、尺寸、電源和傳感器等，能夠展現(xiàn)不同機(jī)器人的能力和局限。
表2 典型人形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與模塊
5.控制、驅(qū)動(dòng)與決策
相較于人類的敏捷性和自主性，人形機(jī)器人尚存在明顯差距。在控制、驅(qū)動(dòng)和學(xué)習(xí)方法等方面的進(jìn)步能夠助推機(jī)器人實(shí)現(xiàn)所需的能力。設(shè)計(jì)精良的人形機(jī)器人致力于復(fù)制人體復(fù)雜結(jié)構(gòu)，執(zhí)行器模擬人體肌肉和關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)逼真的動(dòng)作。目前不同類型的執(zhí)行器各具優(yōu)缺點(diǎn)，影響著機(jī)器人的性能、效率和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。人形機(jī)器人還通過(guò)從周圍環(huán)境中學(xué)習(xí)，模仿人類思維和行為，自主決策執(zhí)行各種任務(wù)，并在不同環(huán)境下，面對(duì)可預(yù)測(cè)和不可預(yù)測(cè)的情況進(jìn)行適應(yīng)。表3詳細(xì)總結(jié)了當(dāng)前人形機(jī)器人各種控制和學(xué)習(xí)方法的分類和各自特點(diǎn)。
表3 人形機(jī)器人的控制與學(xué)習(xí)方法
6.關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)
當(dāng)前，人形機(jī)器人在發(fā)展過(guò)程中仍存在諸多不足，表4全面概述了人形機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，未來(lái)在生物學(xué)、材料科學(xué)、控制系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的跨學(xué)科合作具有十分重要的意義。
表4 人形機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)
圖3簡(jiǎn)明扼要地總結(jié)了人形機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。綜合而言，人形機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)在于跨學(xué)科合作和對(duì)生物學(xué)理解的不斷突破。通過(guò)整合結(jié)構(gòu)和生物材料，人形機(jī)器人將展現(xiàn)出更強(qiáng)大的功能，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)人類生活的多個(gè)方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著研究和技術(shù)的不斷進(jìn)步，人形機(jī)器人成為社會(huì)不可或缺的一部分。
圖3 人形機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
7.未來(lái)潛在應(yīng)用
人形機(jī)器人在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，包括軍事、工業(yè)、救援任務(wù)、醫(yī)療保健、教育、輔助、娛樂(lè)和農(nóng)業(yè)等，都具有廣泛的應(yīng)用潛力（圖4），勢(shì)必將推動(dòng)下一代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。展望未來(lái)，人形機(jī)器人有望在日常生活應(yīng)用中占據(jù)重要地位，成為最重要的智能機(jī)器人形式之一。
圖4 人形機(jī)器人的潛在應(yīng)用
原文鏈接：https://www.ieee-jas.net/en/article/doi/10.1109/JAS.2023.124140
