作者：Yuchuang Tong , Haotian Liu , and Zhengtao Zhang
翻譯：太陽
編者按：
工信部此前發(fā)布的《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》，旨在推動人形機器人的研發(fā)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應用，特別強調了人形機器人集成先進技術（人工智能、高端制造、新材料）的潛在顛覆性，將其視為未來產(chǎn)業(yè)的新賽道。對人形機器人的系統(tǒng)性論述，有助于我們更系統(tǒng)的了解該領域的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，通過對關鍵技術和面臨挑戰(zhàn)的全面分析，能夠更清晰的認識未來的發(fā)展方向，把握人形機器人未來發(fā)展過程中的機會。
摘要：
文章全面論述了人形機器人的現(xiàn)狀、進展和未來前景，強調其在推動下一代產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要意義。通過綜合多學科研究成果，全面分析各方面工作和關鍵技術，包括機器人本體結構、控制、決策、感知和交互，對人形機器人的研究現(xiàn)狀做了詳盡概述。同時，文章指出了該領域當前面臨的全新挑戰(zhàn)，特別強調了深入了解生物運動機制、改進結構設計、加強材料應用、提升先進的驅動和控制方法以及有效利用能源的必要性。技術創(chuàng)新使得人形機器人有望成為下一代產(chǎn)業(yè)的引領力量，重點強調仿生學、類腦啟發(fā)智能、機械和控制的整合，認為這是開發(fā)先進人形機器人系統(tǒng)極具潛力的發(fā)展方向。
1.概念和特征
人形機器人通過精良設計，能夠高效模仿人類外觀和行為，熟練地復現(xiàn)人類感知、決策和交互等能力。該領域發(fā)展的主要目標是創(chuàng)造出能夠在非結構化和動態(tài)環(huán)境中持續(xù)學習和適應的機器人產(chǎn)品，最終使人類受益并推動人類社會的進步。
與其他形式的機器人相比，人形機器人具有獨特的優(yōu)勢。其類人設計，包括軀干、手臂和腿部等，增強了對以人類為中心的環(huán)境適應性，提高社會接受度，并能夠進行復雜的交互。這種擬人化設計便于與人類進行自然交互，使其在醫(yī)療保健和教育等領域發(fā)揮重要價值。雙足移動能力使人形機器人能夠在人類空間中高效移動，而其先進的操作能力和靈巧性使其能夠完成復雜的任務。人形機器人的認知能力提高了自主性和適應性。此外，其人機安全特性、社會接受度以及對人類環(huán)境的適應性，使其適合承擔協(xié)作角色。不過在這些潛在優(yōu)勢下，人形機器人目前在平衡和能源效率等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)，因此未來的持續(xù)研究對于充分發(fā)揮人形機器人在各個領域的應用潛力至關重要。
2.發(fā)展進程
人形機器人的探索始于20世紀70年代，并在21世紀初迎來顯著的發(fā)展。從最初模仿人類外觀和基本動作，逐步演變?yōu)閾碛蓄惾酥悄芟到y(tǒng)，這一進化過程可劃分為三個階段，如圖1所示。首階段始于20世紀60年代末，以早稻田大學等機構在雙足行走機器人領域的先驅研究為代表。第二階段以本田的人形機器人為標志，引入高度集成系統(tǒng)和感知控制技術，使機器人具備了基本感知和簡單判斷的能力。第三階段由波士頓動力和特斯拉領導，實現(xiàn)了高度動態(tài)的運動和認知能力的顯著提升，能夠獨立執(zhí)行復雜任務。
圖1 人形機器人的歷史進展
特斯拉等知名企業(yè)進入人形機器人領域，凸顯了成熟創(chuàng)新企業(yè)涉足新技術領域的重要性。這些公司帶來了資金、人才和社會的關注，這對于機器人等資本密集型領域至關重要?？偟膩碇v，學術界通過奠定理論基礎、開展早期研究，對培育創(chuàng)新理念做出貢獻，而工業(yè)界則推動實際應用和規(guī)?；l(fā)展。
3.主要研發(fā)方向
人形機器人的發(fā)展呈現(xiàn)兩大主要方向：一種是旨在外部仿真，即復制人類外觀和功能。通過吸收對人類行為的理解，使機器人能夠以類似于人類的方式執(zhí)行任務，該方向在控制器設計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)部結構的智能機器人，目標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)的研究團隊在機器人的類人機制、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展。
在日本，人形機器人的研究重點主要集中在形態(tài)模擬領域，特別強調了開發(fā)逼真的仿生機器人，以在服務型場景中應用。相較之下，在美國，人形機器人的研究注重于理解人腦的機制和功能模擬，在復雜環(huán)境中操作機器人方面取得了顯著進展，為潛在的實際應用奠定了堅實的基礎。許多其他國家的人形機器人研究受到美國和日本獨特研究的啟發(fā)和影響，推動了更多的創(chuàng)新研究和發(fā)展。圖2展示了各國獨特的人形機器人設計，每個機器人都具備獨特的屬性和能力。表1則進一步對一些代表性產(chǎn)品的性能參數(shù)情況做了展示。
圖2 各個國家人形機器人的研究現(xiàn)狀
表1 典型的人形機器人性能參數(shù)情況
4.本體機構與模塊
人形機器人的機械設計至關重要，其靈感源于人體復雜結構和微妙動作的巧妙組合。這種設計不僅在促進實際交互方面發(fā)揮關鍵作用，還為研究雙足行走及相關領域提供了重要的研究平臺。表1和表2通過對各種人形機器人參數(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)不同機器人的能力和局限。
5.控制、驅動與決策
相較于人類的敏捷性和自主性，人形機器人尚存在明顯差距。在控制、驅動和學習方法等方面的進步能夠助推機器人實現(xiàn)所需的能力。設計精良的人形機器人致力于復制人體復雜結構，執(zhí)行器模擬人體肌肉和關節(jié)，以實現(xiàn)逼真的動作。目前不同類型的執(zhí)行器各具優(yōu)缺點，影響著機器人的性能、效率和設計復雜性。人形機器人還通過從周圍環(huán)境中學習，模仿人類思維和行為，自主決策執(zhí)行各種任務，并在不同環(huán)境下，面對可預測和不可預測的情況進行適應。表3詳細總結了當前人形機器人各種控制和學習方法的分類和各自特點。
6.關鍵技術與挑戰(zhàn)
當前，人形機器人在發(fā)展過程中仍存在諸多不足，表4全面概述了人形機器人未來發(fā)展的關鍵技術和挑戰(zhàn)，未來在生物學、材料科學、控制系統(tǒng)和能量轉換等領域的跨學科合作具有十分重要的意義。
表4 人形機器人關鍵技術與挑戰(zhàn)
圖3簡明扼要地總結了人形機器人的關鍵技術。綜合而言，人形機器人技術的未來在于跨學科合作和對生物學理解的不斷突破。通過整合結構和生物材料，人形機器人將展現(xiàn)出更強大的功能，拓寬應用領域，并對人類生活的多個方面產(chǎn)生深遠影響。隨著研究和技術的不斷進步，人形機器人成為社會不可或缺的一部分。
圖3 人形機器人關鍵技術
7.未來潛在應用
人形機器人在人類生活的各個領域，包括軍事、工業(yè)、救援任務、醫(yī)療保健、教育、輔助、娛樂和農(nóng)業(yè)等，都具有廣泛的應用潛力（圖4），勢必將推動下一代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。展望未來，人形機器人有望在日常生活應用中占據(jù)重要地位，成為最重要的智能機器人形式之一。
圖4 人形機器人的潛在應用
原文鏈接：https://www.ieee-jas.net/en/article/doi/10.1109/JAS.2023.124140
