從搬東西、做家務，到扭秧歌、跑馬拉松，越來越多的機械人朝着類人化的方向發展。製造一台人形機械人到底有多難？未來，人形機械人將廣泛應用於哪些場景？請聽中國科學院院士、武漢大學工業科學研究院執行院長劉勝在央視財經《中國經濟大講堂》上為大家詳細解讀。以下是演講主要內容。
『未來產業的新賽道』
2024年9月，武漢大學科研團隊研發出了一款名叫「天問」的人形機械人，身高1.7米，體重65公斤。「天問」熟練掌握了走、跑、跳等基本技能，擁有36個自由度，動作靈活流暢。
今年以來，從春晚舞台到馬拉松賽場，人形機械人迅速火遍全網。在社交媒體上，各家公司推出的人形機械人紛紛展示絕技：有跑步的，有翻跟斗的，有沖咖啡的，還有做西紅柿炒雞蛋的。
所謂人形機械人，是指設計成類似人類外形的機械人。它集成了人工智能、高端製造、新材料等先進技術，有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車後的顛覆性、平台性產品，是未來產業的新賽道。
人形機械人的廣泛應用將使人類的生活變得更加便捷、舒適和高效，從而改變人類的生活狀態和生活方式。我記得，在20世紀80年代，有一種手機叫大哥大，像磚頭那麼重，而我們現在普遍使用的手機又輕巧又便宜。人形機械人現在看起來也很笨拙，且成本很高，將來一旦變成了每台5萬元甚至只要1萬元，大家就能買得起，也能夠普遍應用了。
過去的工業機械人大多是一個機械臂，只能做一些固定的動作，但是人形機械人擁有強大的人工智能，它已從傳統的機電控制向深度學習轉移。製造人形機械人需要很多新材料，不僅是金屬材料，還有塑料、軟材料等。所以說，人形機械人的產業發展對我國整個工業體系的進步具有強大的驅動作用。
下面，我來講講製造一台人形機械人的難點在哪裡以及它需要哪些突破性的創新技術。
在武漢，人形機械人正在展示技能和才藝。 新華社 發
『精準的靈巧手』
有人說，製造人形機械人有一半的難度在於製造一雙靈巧手。
人類的雙手，能夠通過27塊骨頭、50多塊肌肉和100多個關節的協同，完成從捏取繡花針到搬運冰箱等一系列動作。而人形機械人要實現「和人一樣」，難度極大。因此，針對不同形態的物品，機械人的手如何抓得穩、握得住，實現類似人手的抓取效果，這是我們要攻克的重要難題。
機械人在抓一些易碎的物品像雞蛋時，可能用力不當把它捏碎，而抓取一些堅硬的物品像鐵塊時，機械人的手又可能受到損壞。目前，我們研發的機械人「天問」有一雙可靠性極高的剛柔耦合靈巧手，它可以精準抓取不同形態的物品，既不捏碎又不滑落。
它是怎麼做到的呢？其中的關鍵技術就是柔性觸覺傳感器。有了柔性觸覺傳感器後，機器手可以根據觸覺輸入和調節自己的抓取方式，包括抓取力、抓取的角度，從而實現類似人手的抓取效果。
柔性觸覺傳感器採用導電橡膠、石墨烯薄膜等材料製成，能像人類皮膚那樣貼合曲面，同時感知壓力分佈、溫度變化甚至物體的材質，擁有相當高的靈敏度。一個個的電極點，相當於人手指上的一個個感受器，它分佈的密度越大，感知的精度也就越高。「天問」的手指尖不到2平方厘米，上面分佈有32個電極點。要在機械人的手指尖這麼小的面積上集成這麼多的電極點，在工藝和材料選擇上都具有極高的難度。
過去的觸覺傳感器存在三個問題：一、靈敏度低，不能快速感知並反饋觸覺信息；二、可靠性差，耐高溫、耐持久性的能力較差；三、精度低，不能準確感知微小的應力變化。我們經過技術創新，使新一代柔性觸覺傳感器實現了高靈敏、高精度、高可靠。
高靈敏，是指壓力響應的靈敏度能做到5毫秒。高精度，就是測量壓力的精度誤差達到百分之一至千分之幾。高可靠，是指觸覺傳感器經過5.4億次壓力循環，基本上能夠滿足20年的使用壽命。
正是新一代柔性觸覺傳感器，使機械人擁有了一雙精準的靈巧手。
在樂聚（深圳）機械人技術有限公司，技術人員在調試人形機械人「夸父」。 新華社 發
『穩健的仿生腳』
除了靈巧手，人形機械人還需要有穩健的仿生腳以適應多樣地形，靈活行走。但是，要做到這一點難度可不小。失衡、打滑、摔倒一度是全球人形機械人研發團隊共同面臨的難關。
人類行走時，足底神經會將地面的硬度、坡度和沙礫滑動等複雜信息實時反饋給大腦。而機械人的腳底神經則是由壓力傳感器構成的感知網絡，它們是機械人實現動態平衡和感知環境的關鍵。
對機械人來說，如果走在不平整的地面上，地上一顆小小的石子也可能帶來很大的威脅。機械人從一個高台上跳下去，它也會受到很大的衝擊力。如果超出它的承載能力的話，機械人就會失去平衡而摔倒。除了過載問題，高成本也是人形機械人壓力傳感器發展的難點。
那麼，如何讓機械人的腳底既靈敏又抗震，同時還能降低成本呢？
傳統的壓力傳感器要靠人工塗膠的方式把芯片粘在底座上，只能單個生產，不僅費時費力、成本高，做出來的傳感器還不夠小巧。並且，機械人一動起來，膠水容易受熱變軟，導致耗電增加，數據不準。遇到撞擊，還容易脫落損壞。人形機械人全身需要安裝密密麻麻上百個傳感器，那種傳統的壓力傳感器顯然不適用。
我們是怎麼做的呢？我們採用精密印刷的形式，把感應材料印刷到金屬的基材上面，然後再通過高溫燒結的形式，使壓力傳感器形成共晶層，融為一體，這樣就極大地提高了機械人的抗過載能力。傳統的壓力傳感器最大只能做到3倍的壓力過載，而新一代的壓力傳感器可以做到10倍的過載。
採用印刷和燒結工藝來製造新一代壓力傳感器，不僅完成了人工向自動化生產線的跨越式升級，顯著降低生產成本，更能同步提升產品性能，並縮小器件的體積，真正實現了多維度的創新突破。傳統的壓力感應單元，尺寸大約是2毫米×2毫米，我們通過技術突破，目前已經做到1毫米×1毫米，未來目標是0.5毫米×0.5毫米。
壓力傳感器製造工藝的突破，不僅能讓人形機械人的行走更穩定，同時還能帶動汽車傳感器的升級。因為這項底層技術創新在智能裝備領域是通用的。
『強大的智慧腦』
咖啡店裡，機械人正在給一杯剛沖好的咖啡拉花，從接受指令到送出咖啡，一整套操作行雲流水。這是機械人大腦與小腦精密協作的結果。
人形機械人強大的智慧腦包括大腦和小腦兩部分。人形機械人的大腦負責處理所有需要動腦的工作。當顧客輸出需求後，機械人大腦通過語音識別理解指令，同時詢問顧客對咖啡濃度、甜度、溫度等的具體要求，然後將製作流程拆解細化成多個步驟，再把每個指令發送給執行系統——小腦。小腦如同人形機械人各個動作的指揮官，比如，握住咖啡杯、倒入開水、打奶泡、拉花……這些操作全部由小腦實時控制完成。機械人的大小腦可以把更複雜的任務分解成很多個這樣的步驟，每個步驟通過機器學習來完成。
我先來說說大腦。人形機械人的大腦具有類似人的思考推理能力。比如，它具有通識的能力，擁有人文、社會、藝術、自然科學應用的知識和技術，了解生活百態，還包括外語的翻譯。它還有交互的能力，可以與人進行交流。它會識別語音，聽得懂湖北話或四川話，能識別手勢，甚至能識別人的情緒。此外，它還有理解任務的能力，會制定任務實施的步驟和計劃。
大腦的核心技術就是擁有高算力、高帶寬的人工智能芯片。要讓機械人的大腦像人類一樣能感知世界，並且思考決策，大腦芯片面臨的壓力可不小。它要接受攝像頭、激光雷達和各種傳感器傳來的圖像和環境數據，同時還要實時分析、做出判斷、規划行動。
要實現這種智能，芯片必須同時具備兩個關鍵能力：一是算得快，二是傳得快。而傳統芯片設計存在一個大問題：中央處理器要反覆調用外部存儲器的數據，這就像一個廚師總在廚房和倉庫之間來回跑，這個數據搬運的過程會消耗大量能量，產生延遲。為了解決這個問題，芯片設計師想到了一個創新方案——用一個芯片去解決這些問題，將外部存儲移到芯片內部來，讓這些計算過程就在芯片里完成。這樣做的好處就是可以精簡整個系統，一個模塊就可以把這些事情都做完，通信以及傳輸的損耗可以大大降低，從而使模型推理的速度更快。
設計思路有了，怎麼實現呢？突破方向是建立創新的AI加速器架構，進行三維堆疊，來增加它的集成度。所以，AI芯片的一個新的方向就是把存儲器疊在一起，這樣可以增加它的帶寬，從而解決高算力的問題。
再來說說小腦。
為什麼機械人的動作總顯得生硬和卡頓？秘密就藏在它們的小腦中。如果小腦芯片每秒鐘只給機械人發送一條運動指令，它的動作就會變得生硬，充滿了機械感。但如果每秒發送1000次細節指令，告訴它每個瞬間的位置在哪兒，速度和力度是多少，機械人的動作就會像人一樣絲滑。因此，機械人的小腦芯片要同時應對多重挑戰：一方面要快速反應，另一方面要保持動作的連貫性，同時還必須擁有航天級別的可靠性。而保證可靠性的其中一點就是對發出的指令留出冗餘度，簡單來說，就是同一個指令要發送多遍，就像我們平時常說的——重要的話說三遍。
除了小腦芯片，與之匹配的運動訓練模型也是機械人小腦系統迭代升級的關鍵。我們的研究團隊通過16台攝像機採集正常人體行走時的關節角度、角加速度以及足底的支撐力這些生物力學的數據，然後將這些數據導入機械人訓練平台中，從而實現機械人更加自然地擬人步態地行走。
『輕量化的結構』
在飛機設計中，飛機設計師常常為節省1克重量而奮鬥。人形機械人也同樣如此。
人形機械人要真正融入人類世界，輕量化是必須跨過的門檻。未來，不論是在工業製造、醫療護理等專業領域，還是家庭服務、教育、陪伴、養老照護等日常場景，人形機械人具有更輕盈的體型，就意味着更低的能耗、更靈活的動作和更高的安全性。
但是，要給人形機械人減重遠比想像中艱難。既要保證機身的強度，又要精簡材料；既要裝進更多的傳感器，又要控制整體重量；既要提升續航能力，又不能安裝笨重的電池。面對這一系列看似矛盾的挑戰，科技界一直在探索創新的解決方案。
3D打印技術的發展為人形機械人的輕量化設計打開了新的大門。3D打印技術能以少量的材料構造出複雜又輕巧的結構，實現部件的一體化打印，有效減輕機械人的重量。尤其在開始階段，產品還沒有大批量生產時，3D打印可以讓設計師根據需求定製產品，從而迅速測試並優化設計，大大提高了效率。目前3D打印可以實現鐵基、鈦基、鋁基、鎳基以及鈷基鋅基合金等常規材料的成型製造，應用於機械人的肩、胸骨、小臂、大臂、手指關節等零部件。
那麼，3D打印的難點在哪裡？要達到航天級別的可靠性，對3D打印的工藝重複性和質量的穩定性提出了極高的要求。一個機械人能翻100個跟斗肯定不行，要翻10000個才行。一般來說，3D打印部件結構的機械強度和疲勞強度都較高，但是其內部結構難免會產生一些缺陷，比如出現毛刺、倒角，或者出現未熔合的顆粒，產生氣孔、裂紋，甚至出現變形。所以，要研究這些缺陷產生的機理，儘可能消除缺陷，我們面臨的挑戰還是很大的。
有什麼創新的解決方案呢？我們把3D打印過程中的在線監測技術和在線激光強化技術結合在一起，實現零件生產全程「看得見」，質量缺陷能測得出來，工藝過程能控制得住，以確保3D打印的質量，從而提升打印器件的力學性能。
『「人形機械人量產元年」』
業內人士普遍預計，2025年是「人形機械人量產元年」。目前，我國已成為全球領先的人形機械人生產大國。近期發佈的全球人形機械人百強榜單顯示，中國企業佔比超過1/3。
人形機械人的發展經歷了四個階段：第一階段是全尺寸樣機的初步行走階段，就是人形機械人能走路了；第二階段是系統高度集成的能力破冰階段，機械人各方面的能力開始形成；第三階段是高動態運動能力的突破階段，機械人開始能跑能蹦，能夠運動；第四階段是產業化落地的階段，人形機械人的結構做得輕便、節能，而且比較便宜。
隨着技術的不斷突破和產量的提升，單台人形機械人的售價也從動輒上百萬元逐漸降低。我記得我當年在麻省理工學院的時候，他們設計了一個機器狗，其中有個光纖傳感器要4萬美元，那誰用得起啊？所以，降低成本始終是一個非常重要的研究方向。
我國有強大的產業鏈支撐和巨大的市場需求，從基礎元器件的製造到系統的集成、應用場景的開發，我國人形機械人領域展現出一幅快速發展的圖景。
從未來5年的短期來說，在材料製造方面，我們將繼續探索一些高強度、輕量化的材料，以提升機械人的動作精度和能效；在安全和可靠性方面，進一步提高關鍵部件像電機、傳感器、芯片等的穩定性，滿足工業和服務環境的需要；在應用場景方面，主要在智能製造、商業消費類場景以及一些危險場景中應用人形機械人。
從未來15年的中期來說，人形機械人可以在更加複雜的環境中承擔各種任務，在安全方面擁有自檢測和自修補的功能。在應用場景方面，機械人將應用於醫療、教育等專業領域，提升社會服務的能力。
從未來30年的長期來說，機械人將實現類人智能的自主學習和情感交流，能夠適應多場景的服務，實現社會的全面普及，覆蓋家庭助理、養老照護、救援等高度複雜的場景。
人形機械人技術還將帶動其他行業的發展，包括智能汽車、智能工廠、智慧醫療等。尤其在智慧城市方面，人形機械人的多模態、大語言模型可以部署到城市的大型商店、政府機關等場所，為市民提供便捷和可靠的公共服務。
目前，我國的人形機械人企業已在人工智能芯片、柔性關節、動態平衡、算法等領域取得突破。曾經被視作未來暢想的人形機械人已經開始站在全球科技舞台的中央。放眼未來，我們將繼續瞄準製造業轉型升級的重大機遇，在技術上不斷突破與創新，為人形機械人產業的可持續發展奠定堅實的基礎。
原標題：《製造一台人形機械人，到底有多難》
欄目主編：龔丹韻 文字編輯：徐蓓
來源：作者：劉勝
