“人形機器人集成人工智能、高端制造、新材料等先進技術，有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產品，”這是2023 年工信部發(fā)布的《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》的第一句話。

可見，“頭腦”聰明、“四肢”靈活的人形機器人正成為未來產業(yè)的新賽道。

高盛最新預測人形機器人市場規(guī)模在2035年將達到378億美元，相較2022年60億美元的預測值提升了6倍多。對此，高盛指出，技術進步是推動市場增長的關鍵因素，同時高規(guī)格機器人物料成本在一年內下降40%左右。因此高盛預計人形機器人將可更快實現盈利，對人形機器人出貨量的測算相較2022 年增加了4倍，達140萬臺。在落地時間方面，制造業(yè)領域的應用時間在2024年就將開始，消費者端的應用時間也將提早到2028年。

多位業(yè)內專家認為，2024 年有望成為人形機器人的量產元年。

關于未來，按照特斯拉CEO 馬斯克的樂觀預測，假設人形機器人與人口比例為2:1，人形機器人需求量有望達到100~200億臺，人類對人形機器人的需求甚至會遠遠超過汽車。

那么，目前各行各業(yè)已有了越來越多的機器人，為何要造人形機器人？人形機器人的應用和技術特點是什么？縱觀發(fā)展歷史，目前的人形機器人處于什么階段？

1 為什么需要人形機器人

首先，相比四足機器人、機械臂等傳統機器人設備，具有更強的通用性。一臺人形機器人可以替代多種單一功能設備，也可以應用在多種生產生活場景中。

其次，作為一種模仿人類外觀、形態(tài)和行為能力的智能機器人，人形機器人可以無縫使用人類所有基礎設施和工具，融入人類社會。

再有，通過AI尤其是生成式AI賦能，給機器人帶來了“大腦”，可實現自然的語言交互與行為動作，使其形態(tài)、交流、工作能力更像人。

因此在特種環(huán)境應用、智能制造、醫(yī)療、教育、家政等領域有廣泛的應用前景，有望顛覆一些領域現有的發(fā)展格局。

2 哪個領域的應用會率先落地？

答案是智能制造領域。人形機器人正進入工廠，可代替部分重復性崗位，特別是當前工業(yè)機器人無法勝任的長尾工種。業(yè)界普遍預期，汽車生產線是人形機器人首個落地場景。因為：①汽車業(yè)勞動力短缺和成本上漲，促使車企加快擁抱生產自動化。②相較于汽車，其他行業(yè)（例如3C 制造和醫(yī)療等領域）的零部件更為精細，對于機器人執(zhí)行能力的精準性要求更高，更為復雜。

在汽車制造中，目前在總裝環(huán)節(jié)的自動化程度相對較低，是人形機器人可以發(fā)揮作用的機會點，其余制造環(huán)節(jié)已有工業(yè)機器人的成熟部署。例如汽車總裝部分的安裝汽車內飾、貼車標、玻璃窗打膠等，工業(yè)機器人還沒能替代人類。這是因為車的結構完全是按照人體的活動特點進行設計的，普通工業(yè)機器人無法像人一樣自由彎腰、下蹲來執(zhí)行一些裝配工作；相對而言，人形機器人擁有更靈活的移動能力，可以將現在仍由人類操作的崗位進一步自動化。

在商業(yè)化落地方面，車企已開始為機器人的場景化應用與訓練提供平臺，例如，今年1 月，美國Figure AI同寶馬簽署了一項合作協議，計劃在寶馬位于美國南卡羅來納州的汽車制造車間部署人形機器人。今年2 月下旬，優(yōu)必選首次公開最新版人形機器人Walker S在蔚來合肥汽車第二先進制造基地總裝車間“實習”的畫面（圖1），視頻展示了Walker S 完成車門鎖質檢、安全帶檢測、車燈蓋板質檢、貼車標等任務，人形機器人展現出精巧的身體控制能力。3 月15 日，梅賽德斯- 奔馳宣布將Apptronik公司研發(fā)的Apollo人形機器人引入生產線，以應對低技能、重復性工作崗位的勞動力短缺。

圖1 優(yōu)必選Walker S在蔚來工廠實訓（圖片來源：網絡）

有業(yè)內人士預估，還需5~10 年才能看到人形機器人大批量部署汽車裝配車間。

在其他領域方面，有專家認為人形機器人會首先替代某些專用領域的工作，例如焊接機器人，然后功能再不斷向外拓展，實現多功能化。因此，當前的一大挑戰(zhàn)是開拓人形機器人的應用場景。

3 人形機器人的技術挑戰(zhàn)

3.1 人形機器人的結構組成

工信部《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》提出，到2025年，人形機器人創(chuàng)新體系初步建立，“大腦”“小腦”“肢體”等一批關鍵技術取得突破。

其中，“大腦”主要應對環(huán)境感知、行為控制和人機交互，“小腦”主要對應“運動控制”?！爸w”關鍵技術是執(zhí)行技術群的核心，主要由高緊湊機器人四肢結構、靈巧手與骨架身體結構組成，技術包括仿生傳動、拓撲優(yōu)化、新材料、增材制造、一體化設計等?！兑庖姟窂娬{了輕量化、高強度、高動態(tài)、高爆發(fā)、高精度、長續(xù)航等人形機器人需求的特點。

人形機器人主要部件有：電機、減速器、傳感器、上肢傳動方式、下肢傳動方式、手部關節(jié)。

在人形機器人的產業(yè)鏈中，從長期看最具價值的部分在于軟件，即能夠自研或擁有AI 算法等核心技術者，將掌控人形機器人的發(fā)展方向。從目前看，價值占比高、增量空間大、利潤可觀的部分有減速器、滾柱絲杠、伺服電機、傳感器等。

3.2 人形機器人的主要挑戰(zhàn)

●   關節(jié)多而精密。普通工業(yè)機器人的關節(jié)數量一般在2~6個左右，而人形機器人關節(jié)數量在40個以上。通常人形機器人的每個關節(jié)需要1臺伺服電機，部分與行走平衡相關的關節(jié)對電機的高爆發(fā)力矩響應和穩(wěn)定力矩輸出提出了極高的要求。

●   高性能、低成本。據中科院自動化所的專家介紹，如何讓具有40 多個自由度、平均體積與人相當的復雜人形機器人系統精準完成各類任務，同時將整機成本控制在25 萬元以內，是一個重要挑戰(zhàn)。目前，減速器、伺服電機、控制器等核心零部件占機器人整機成本的七成以上。

●   需要輕量化骨骼、高強度本體結構、高精度傳感、全身協調運動控制和手臂動態(tài)抓取靈巧作業(yè)等技術。

●   工業(yè)制造領域對機器人工作的精準度和效率要求非常苛刻，人形機器人在此有較大提升空間。業(yè)內專家認為，人形機器人和目前已經成熟的工業(yè)機器人是兩類機器人，是互補關系，而不是競爭關系。工業(yè)機器人在精準高效上有非常大的優(yōu)勢，人形機器人在通用性上較有優(yōu)勢。

●   與人類一樣，人形機器人也有“大腦”和“小腦”。“小腦”的挑戰(zhàn)包括復雜地形通過、全身協同精細作業(yè)等任務需求；“大腦”包括增強人形機器人的環(huán)境感知、行為控制、人機交互能力等。

●   在系統集成方面，如何將感知、認知、決策、控制等軟件算法與傳感、機械、材料等硬件系統有機融合，形成整體性能高于單元器件性能的軟硬件一體化綜合系統，也是國內外人形機器人相關研究人員面臨的共同挑戰(zhàn)。

4 資金大量涌入

人形機器人技術突破背后，資本正大力輸血。資本樂意輸血的主要原因，首先與馬斯克的Optimus（擎天柱）的概念誕生有很大關系，2021 年特斯拉AI Day上，Optimus完成了第一次圖片亮相，2023年馬斯克放出豪言，人形機器人的市場規(guī)模終有一天將超過汽車。其次，以GPT大模型為代表的生成式AI 的推出，將AI產業(yè)帶到了一個新高度，“大模型+ 機器人”的具身智能興起，使人形機器人不僅初具智能“大腦”，且“大腦”“小腦”的研發(fā)迭代速度加快。

在國際市場，融資不斷加大。2024 年年初，挪威人形機器人公司1X Technologies收獲1億美元融資。更引發(fā)關注的是美國人形機器人賽道新星Figure AI，在2月下旬完成6.75億美元B輪融資，微軟、英偉達等科技巨頭投資者提供資金和技術支持。1X Technologies和Figure AI還有個共同的背景——得到OpenAI的加持。有了大模型，人形機器人就有了“大腦”，具身智能體才有望步入現實。

在國內，據中國機器人網統計，2023年國內共有9家人形機器人企業(yè)獲得累計超過19億元的融資，其中3家企業(yè)單輪融資金額超億元。在資本一級市場上，2024年初的近3個多月以來，已有多個上億人民幣或美元的融資案例。例如2024 年春節(jié)前，杭州宇樹完成了B2 輪融資，金額近10億元人民幣。二級市場上，人形機器人的市值也在大幅增長。例如優(yōu)必選的市值從港股上市初（2023 年12 月29 日）的380 億港元，翻番至當前（2024年4月2日）的925億港元左右。

5 哪類企業(yè)在造人形機器人

當前國內人形機器人廠商主要分為四類。

●   傳統機器人及其零部件廠商。例如國內的達闥、傅里葉等，特點是有多年機器人及零部件的技術積累。

●   智能電動車企。像特斯拉一樣，小鵬也入局研發(fā)人形機器人，比亞迪2023 年投資押注智元機器人公司。馬斯克曾說，自動駕駛的本質就是機器人。這種“機械+電子”的模式也是人形機器人的要素。車企的入局，一方面是自用的需要——可以在自己的汽車制造工廠落地應用，另一方面也可以向其他應用領域延伸發(fā)展。

●   AI、互聯網企業(yè)。例如國內的科大訊飛、小米等企業(yè)。

●   獨角獸、初創(chuàng)公司。例如智元機器人等。智元2023年2月公司成立，其創(chuàng)始人之一曾是華為“天才少年”、坐擁250 萬粉絲的B站up主——稚暉君彭志輝，他的搭檔是上海交大教授閆維新。自2023年2月成立以來，智元機器人已馬不停蹄拿下6輪融資，堪稱VC圈最火爆項目之一。同年8 月發(fā)布了第一代通用型人形雙足機器人“遠征A1”。

6 部分明星機器人

●   特斯拉Optimus

2021 年特斯拉AI Day，所有商業(yè)化人形機器人的原型——Optimus（擎天柱）完成了第一次圖片亮相。一年之后，2022 特斯拉AI Day，“四肢健全”的Optimus在數個成年男子的“攙扶下”正式上臺與全球觀眾打招呼。2023 年，馬斯克放出豪言，人形機器人的市場規(guī)模終有一天將超越汽車，達到100億臺。然而，有人在2023年二季度時詢問馬斯克過去幾年制造了多少臺Optimus，得到了僅“5~6”臺的答案。巧合的是，這個數字與國內“人形機器人”第一股優(yōu)必選在過去幾年賣出的用于科研教育的人形機器人數量相當。

到了2023年7月，Optimus人形機器人在上海世界人工智能大會WAIC中完成了中國首秀。身高1.72m，體重56.6kg，擁有正常人身材的Optimus，靜態(tài)地被封存在展會的透明柜中。

2023年12月13日，馬斯克釋出了Optimus第二代機器人（Gen 2）介紹視頻（如圖2）。與第一代相比，Optimus Gen 2采用了特斯拉自研的執(zhí)行器和傳感器，并在行走速度、平衡感和身體控制、手部精細操作等方面有明顯性能提升。零部件方面，Optimus Gen 2搭載了由特斯拉自研的執(zhí)行器和傳感器、2自由度驅動頸部、11自由度靈巧手、觸覺傳感器（十指）、執(zhí)行器集成電子和線束、足部力/ 扭矩傳感器、鉸接式腳趾等。整體性能方面，Optimus Gen 2行走速度提高了30%，全身重量減輕10kg，同時平衡力及全身控制均得到提高。

圖2 特斯拉Optimus Gen 2

●   Figure AI 的Figure 01

2024年1月，人形機器人初創(chuàng)公司Figure AI突然放出了公司旗下機器人Figure 01進入寶馬工廠“實習”的相關資料，引發(fā)全球媒體關注。據悉，該公司的Figure 01機器人推出于2023年10月，身高1.67m，重約60kg，主要負責替代寶馬工廠中一些原先必須由自然人承擔的有一定危險系數的工作。Figure 01也成為了首個正式投入實際場景的人形機器人。

同期，Figure AI還曝出與OpenAI就具身智能開展合作，兩者將依托語言與視頻動態(tài)捕捉，利用機器人神經網絡的分析與理解，希望從真正意義上實現機器人的人智。

3月中旬，Figure AI放出了一段基于OpenAI大模型加持的演示視頻（圖3），demo 機器人在只有獨立神經網絡的支持下，完成了從接收人類指令，到執(zhí)行向人類傳遞并放置物品的動作。

在這段視頻的背后，demo機器人并沒有任何的人為遠程指令操作，而是依靠“端到端”神經網絡與大模型的加持，真正實現自主運動。

●   優(yōu)必選的Walker S

Walker S身高1.70m，外觀比例更接近人類，搭載了41個高性能伺服關節(jié)，以及多維力覺、多目立體視覺、全向聽覺和慣性、測距等全方位的感知系統，擁有全面升級的視覺定位導航、手眼協調操作、步態(tài)控制、多模態(tài)路徑規(guī)劃垂域模型等技術，機器人的自主運動及決策能力大幅提高，可在工廠流水線實現精準安全同步的作業(yè)。

圖3 Figure 01可以與人類全面對話（圖片來源：網絡）

●   小鵬PX5

新能源車企小鵬從2016年開始進行四足機器人研發(fā)，并于2023 年10 月小鵬汽車科技日上，帶來了首款自研人形態(tài)智能機器人——小鵬PX5，是繼特斯拉后，第二家車企發(fā)布自研人形機器人。據悉，該機器人僅用時5個月就打造完成，有雙足，其腿部、膝部和腳踝區(qū)域采用高性能關節(jié)，具有越障能力，可完成 2小時以上的室內外行走和越障。同時，它還有仿生手臂，采用堅固且超輕量材質打造，僅5kg，具備7自由度，重復定

位精度0.05mm，單臂最大負載3kg，負載自重比超0.6，最大末端線速度1m/s。核心的手掌部分，也采用超輕且堅固耐用材質，僅重430g，支持11個自由度調節(jié)，雙指保持力1kg，采用剛柔混合驅動方案。值得一提的是，手具備末端觸覺感知能力，可以提供對不同形狀物體的抓取包覆姿態(tài)。

官方沒有公布小鵬PX5智能機器人什么時候投入市場，以及價格，這并不是最終成型產品，還會繼續(xù)打磨優(yōu)化。

●   智元的遠征A1

2023年2月公司成立，同年8月發(fā)布了第一代通用型人形雙足機器人“遠征A1”（圖4）。遠征A1身高1.75m，重量53kg，最高步速可達7km/h，全身49個自由度，整機承重80kg，單臂最大負載5kg。不僅在形態(tài)上與人類相似，遠征A1 更在雙足行走、智能任務、人機互動等領域展現出業(yè)界領先的能力。

發(fā)布會現場，遠征A1演示了一個人形機器人應有的“超能力”：步態(tài)平穩(wěn)、進行3C 產品的組裝裝配、物料搬運，甚至于在烹飪場景中磕雞蛋，幫助老人吃藥。

圖4 智元的遠征A1（圖片來源：網絡）

智元自研的PowerFlow使用準直驅關節(jié)方案，實現了低齒槽轉矩設計，搭配10速比以內的高力矩透明度行星減速器、共軛同軸雙編碼器、一體液冷循環(huán)散熱系統，以及自研的矢量控制驅動器，峰值扭矩超過350N·m，而重量僅為1.6kg。

能拿起藥片、擰開瓶蓋，那雙機械手必須足夠靈巧，智元發(fā)布了面向下一代機器人的高自由度靈巧手SkillHand。這款靈巧手將擁有12個主動自由度和5個被動自由度，所有驅動內置，并集成了基于視覺的指尖傳感器，專門面向精密操作。

除了傳統意義上的軟硬件能力，遠征A1發(fā)布會更惹人關注的點是，AI大模型來加持。據介紹，結合LLM（大語言模型）和VLM（視覺語言模型）等AI技術帶來的重大突破，智元使機器人自主感知環(huán)境、理解任務、編排動作成為可能，實現了從ChatGPT到WorkGPT的擴展。與傳統AI 技術不同， 智元的WorkGPT充分應用了語言和圖像大模型龐大的先驗知識庫和強大的通識理解能力，并實現復雜的語義多級推理能力，也就是所謂的“思維鏈”。

遠征A1 將在2024 年快速進入商業(yè)化落地。將首先應用于工業(yè)智造領域，隨后逐步走向家庭，協助工人、科研人員和家庭成員完成各種任務。

據悉，智元公司希望將機器人成本控制在20 萬元以內。

7 歷史沿革

人形機器人的發(fā)展史可追溯到15 世紀的達·芬奇時代，現代意義上的類人機器人研制源自20 世紀上半葉的美國，但真正深入的研究始于20 世紀60 年代。從那時至今，人形機器人的發(fā)展可分為四個階段：

1. 全尺寸機初步行走階段。日本早稻田大學打造的WABOT-1為代表的機器人，誕生于1967年，行動能力相當于1歲的嬰兒。有26個關節(jié)，胸部裝有兩個攝像頭，手部有觸覺傳感器。其主要創(chuàng)造者加藤一郎被譽為“世界仿人機器人之父”。

2. 能力破冰時期。代表產品是本田人形機器人阿西莫（ASIMO）(1986 年研發(fā)，2000 年推出) 等為代表的系統高度集成的機器人?？梢詫崿F最高6 km/h 的行走速度，可實時預測下一個動作并提前改變重心，還能握手、揮手、隨音樂跳舞等。但是2022 年3 月，ASIMO正式宣告退役，以專注于該技術的更多實際應用。

圖5 本田人形機器人ASIMO（圖片來源：網絡）

3. 以強復合運動能力為特征的技術突破發(fā)展階段。突出代表為波士頓動力Atlas，2009 年問世，2013 年7月公開發(fā)布。在28個液壓驅動器的驅動下可在復雜障礙環(huán)境內做跳躍、翻滾、小跑、三級跳等高難度動作。但是Atlas追求的是技術上的極致，成本動輒上百萬美元，較難商業(yè)化。

圖6 波士頓動力Atlas（圖片來源：網絡）

4. 產業(yè)化落地階段。以特斯拉Optimus 機器人為代表，該階段尚處于發(fā)展前期。Optimus 出現的意義不僅在于其具備精準把控動作力度、看路記路、根據人類動作范例進行端到端動作操控等驚人能力，更在于其遍布全球道路、擁有大量數據和實踐經驗的特斯拉汽車共享神經網絡（NN），且二者都安裝了相同的無人駕駛系統。特斯拉基于汽車的技術、品牌和市場積累，將同一能力尤其是在頂層數據和技術開發(fā)上的突破向機器人遷移，長期看有助于人形機器人成本的下降。