从搬东西、做家务，到扭秧歌、跑马拉松，越来越多的机器人朝着类人化的方向发展。制造一台人形机器人到底有多难？未来，人形机器人将广泛应用于哪些场景？请听中国科学院院士、武汉大学工业科学研究院执行院长刘胜在央视财经《中国经济大讲堂》上为大家详细解读。以下是演讲主要内容。
中国科学院院士、武汉大学工业科学研究院执行院长刘胜
『未来产业的新赛道』
2024年9月，武汉大学科研团队研发出了一款名叫“天问”的人形机器人，身高1.7米，体重65公斤。“天问”熟练掌握了走、跑、跳等基本技能，拥有36个自由度，动作灵活流畅。
今年以来，从春晚舞台到马拉松赛场，人形机器人迅速火遍全网。在社交媒体上，各家公司推出的人形机器人纷纷展示绝技：有跑步的，有翻跟斗的，有冲咖啡的，还有做西红柿炒鸡蛋的。
所谓人形机器人，是指设计成类似人类外形的机器人。它集成了人工智能、高端制造、新材料等先进技术，有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性、平台性产品，是未来产业的新赛道。
人形机器人的广泛应用将使人类的生活变得更加便捷、舒适和高效，从而改变人类的生活状态和生活方式。我记得，在20世纪80年代，有一种手机叫大哥大，像砖头那么重，而我们现在普遍使用的手机又轻巧又便宜。人形机器人现在看起来也很笨拙，且成本很高，将来一旦变成了每台5万元甚至只要1万元，大家就能买得起，也能够普遍应用了。
过去的工业机器人大多是一个机械臂，只能做一些固定的动作，但是人形机器人拥有强大的人工智能，它已从传统的机电控制向深度学习转移。制造人形机器人需要很多新材料，不仅是金属材料，还有塑料、软材料等。所以说，人形机器人的产业发展对我国整个工业体系的进步具有强大的驱动作用。
下面，我来讲讲制造一台人形机器人的难点在哪里以及它需要哪些突破性的创新技术。
在武汉，人形机器人正在展示技能和才艺。 新华社 发
『精准的灵巧手』
有人说，制造人形机器人有一半的难度在于制造一双灵巧手。
人类的双手，能够通过27块骨头、50多块肌肉和100多个关节的协同，完成从捏取绣花针到搬运冰箱等一系列动作。而人形机器人要实现“和人一样”，难度极大。因此，针对不同形态的物品，机器人的手如何抓得稳、握得住，实现类似人手的抓取效果，这是我们要攻克的重要难题。
机器人在抓一些易碎的物品像鸡蛋时，可能用力不当把它捏碎，而抓取一些坚硬的物品像铁块时，机器人的手又可能受到损坏。目前，我们研发的机器人“天问”有一双可靠性极高的刚柔耦合灵巧手，它可以精准抓取不同形态的物品，既不捏碎又不滑落。
它是怎么做到的呢？其中的关键技术就是柔性触觉传感器。有了柔性触觉传感器后，机器手可以根据触觉输入和调节自己的抓取方式，包括抓取力、抓取的角度，从而实现类似人手的抓取效果。
柔性触觉传感器采用导电橡胶、石墨烯薄膜等材料制成，能像人类皮肤那样贴合曲面，同时感知压力分布、温度变化甚至物体的材质，拥有相当高的灵敏度。一个个的电极点，相当于人手指上的一个个感受器，它分布的密度越大，感知的精度也就越高。“天问”的手指尖不到2平方厘米，上面分布有32个电极点。要在机器人的手指尖这么小的面积上集成这么多的电极点，在工艺和材料选择上都具有极高的难度。
过去的触觉传感器存在三个问题：一、灵敏度低，不能快速感知并反馈触觉信息；二、可靠性差，耐高温、耐持久性的能力较差；三、精度低，不能准确感知微小的应力变化。我们经过技术创新，使新一代柔性触觉传感器实现了高灵敏、高精度、高可靠。
高灵敏，是指压力响应的灵敏度能做到5毫秒。高精度，就是测量压力的精度误差达到百分之一至千分之几。高可靠，是指触觉传感器经过5.4亿次压力循环，基本上能够满足20年的使用寿命。
正是新一代柔性触觉传感器，使机器人拥有了一双精准的灵巧手。
在乐聚（深圳）机器人技术有限公司，技术人员在调试人形机器人“夸父”。 新华社 发
『稳健的仿生脚』
除了灵巧手，人形机器人还需要有稳健的仿生脚以适应多样地形，灵活行走。但是，要做到这一点难度可不小。失衡、打滑、摔倒一度是全球人形机器人研发团队共同面临的难关。
人类行走时，足底神经会将地面的硬度、坡度和沙砾滑动等复杂信息实时反馈给大脑。而机器人的脚底神经则是由压力传感器构成的感知网络，它们是机器人实现动态平衡和感知环境的关键。
对机器人来说，如果走在不平整的地面上，地上一颗小小的石子也可能带来很大的威胁。机器人从一个高台上跳下去，它也会受到很大的冲击力。如果超出它的承载能力的话，机器人就会失去平衡而摔倒。除了过载问题，高成本也是人形机器人压力传感器发展的难点。
那么，如何让机器人的脚底既灵敏又抗震，同时还能降低成本呢？
传统的压力传感器要靠人工涂胶的方式把芯片粘在底座上，只能单个生产，不仅费时费力、成本高，做出来的传感器还不够小巧。并且，机器人一动起来，胶水容易受热变软，导致耗电增加，数据不准。遇到撞击，还容易脱落损坏。人形机器人全身需要安装密密麻麻上百个传感器，那种传统的压力传感器显然不适用。
我们是怎么做的呢？我们采用精密印刷的形式，把感应材料印刷到金属的基材上面，然后再通过高温烧结的形式，使压力传感器形成共晶层，融为一体，这样就极大地提高了机器人的抗过载能力。传统的压力传感器最大只能做到3倍的压力过载，而新一代的压力传感器可以做到10倍的过载。
采用印刷和烧结工艺来制造新一代压力传感器，不仅完成了人工向自动化生产线的跨越式升级，显著降低生产成本，更能同步提升产品性能，并缩小器件的体积，真正实现了多维度的创新突破。传统的压力感应单元，尺寸大约是2毫米×2毫米，我们通过技术突破，目前已经做到1毫米×1毫米，未来目标是0.5毫米×0.5毫米。
压力传感器制造工艺的突破，不仅能让人形机器人的行走更稳定，同时还能带动汽车传感器的升级。因为这项底层技术创新在智能装备领域是通用的。
『强大的智慧脑』
咖啡店里，机器人正在给一杯刚冲好的咖啡拉花，从接受指令到送出咖啡，一整套操作行云流水。这是机器人大脑与小脑精密协作的结果。
人形机器人强大的智慧脑包括大脑和小脑两部分。人形机器人的大脑负责处理所有需要动脑的工作。当顾客输出需求后，机器人大脑通过语音识别理解指令，同时询问顾客对咖啡浓度、甜度、温度等的具体要求，然后将制作流程拆解细化成多个步骤，再把每个指令发送给执行系统——小脑。小脑如同人形机器人各个动作的指挥官，比如，握住咖啡杯、倒入开水、打奶泡、拉花……这些操作全部由小脑实时控制完成。机器人的大小脑可以把更复杂的任务分解成很多个这样的步骤，每个步骤通过机器学习来完成。
我先来说说大脑。人形机器人的大脑具有类似人的思考推理能力。比如，它具有通识的能力，拥有人文、社会、艺术、自然科学应用的知识和技术，了解生活百态，还包括外语的翻译。它还有交互的能力，可以与人进行交流。它会识别语音，听得懂湖北话或四川话，能识别手势，甚至能识别人的情绪。此外，它还有理解任务的能力，会制定任务实施的步骤和计划。
大脑的核心技术就是拥有高算力、高带宽的人工智能芯片。要让机器人的大脑像人类一样能感知世界，并且思考决策，大脑芯片面临的压力可不小。它要接受摄像头、激光雷达和各种传感器传来的图像和环境数据，同时还要实时分析、做出判断、规划行动。
要实现这种智能，芯片必须同时具备两个关键能力：一是算得快，二是传得快。而传统芯片设计存在一个大问题：中央处理器要反复调用外部存储器的数据，这就像一个厨师总在厨房和仓库之间来回跑，这个数据搬运的过程会消耗大量能量，产生延迟。为了解决这个问题，芯片设计师想到了一个创新方案——用一个芯片去解决这些问题，将外部存储移到芯片内部来，让这些计算过程就在芯片里完成。这样做的好处就是可以精简整个系统，一个模块就可以把这些事情都做完，通信以及传输的损耗可以大大降低，从而使模型推理的速度更快。
设计思路有了，怎么实现呢？突破方向是建立创新的AI加速器架构，进行三维堆叠，来增加它的集成度。所以，AI芯片的一个新的方向就是把存储器叠在一起，这样可以增加它的带宽，从而解决高算力的问题。
再来说说小脑。
为什么机器人的动作总显得生硬和卡顿？秘密就藏在它们的小脑中。如果小脑芯片每秒钟只给机器人发送一条运动指令，它的动作就会变得生硬，充满了机械感。但如果每秒发送1000次细节指令，告诉它每个瞬间的位置在哪儿，速度和力度是多少，机器人的动作就会像人一样丝滑。因此，机器人的小脑芯片要同时应对多重挑战：一方面要快速反应，另一方面要保持动作的连贯性，同时还必须拥有航天级别的可靠性。而保证可靠性的其中一点就是对发出的指令留出冗余度，简单来说，就是同一个指令要发送多遍，就像我们平时常说的——重要的话说三遍。
除了小脑芯片，与之匹配的运动训练模型也是机器人小脑系统迭代升级的关键。我们的研究团队通过16台摄像机采集正常人体行走时的关节角度、角加速度以及足底的支撑力这些生物力学的数据，然后将这些数据导入机器人训练平台中，从而实现机器人更加自然地拟人步态地行走。
『轻量化的结构』
在飞机设计中，飞机设计师常常为节省1克重量而奋斗。人形机器人也同样如此。
人形机器人要真正融入人类世界，轻量化是必须跨过的门槛。未来，不论是在工业制造、医疗护理等专业领域，还是家庭服务、教育、陪伴、养老照护等日常场景，人形机器人具有更轻盈的体型，就意味着更低的能耗、更灵活的动作和更高的安全性。
但是，要给人形机器人减重远比想象中艰难。既要保证机身的强度，又要精简材料；既要装进更多的传感器，又要控制整体重量；既要提升续航能力，又不能安装笨重的电池。面对这一系列看似矛盾的挑战，科技界一直在探索创新的解决方案。
3D打印技术的发展为人形机器人的轻量化设计打开了新的大门。3D打印技术能以少量的材料构造出复杂又轻巧的结构，实现部件的一体化打印，有效减轻机器人的重量。尤其在开始阶段，产品还没有大批量生产时，3D打印可以让设计师根据需求定制产品，从而迅速测试并优化设计，大大提高了效率。目前3D打印可以实现铁基、钛基、铝基、镍基以及钴基锌基合金等常规材料的成型制造，应用于机器人的肩、胸骨、小臂、大臂、手指关节等零部件。
那么，3D打印的难点在哪里？要达到航天级别的可靠性，对3D打印的工艺重复性和质量的稳定性提出了极高的要求。一个机器人能翻100个跟斗肯定不行，要翻10000个才行。一般来说，3D打印部件结构的机械强度和疲劳强度都较高，但是其内部结构难免会产生一些缺陷，比如出现毛刺、倒角，或者出现未熔合的颗粒，产生气孔、裂纹，甚至出现变形。所以，要研究这些缺陷产生的机理，尽可能消除缺陷，我们面临的挑战还是很大的。
有什么创新的解决方案呢？我们把3D打印过程中的在线监测技术和在线激光强化技术结合在一起，实现零件生产全程“看得见”，质量缺陷能测得出来，工艺过程能控制得住，以确保3D打印的质量，从而提升打印器件的力学性能。
『“人形机器人量产元年”』
业内人士普遍预计，2025年是“人形机器人量产元年”。目前，我国已成为全球领先的人形机器人生产大国。近期发布的全球人形机器人百强榜单显示，中国企业占比超过1/3。
人形机器人的发展经历了四个阶段：第一阶段是全尺寸样机的初步行走阶段，就是人形机器人能走路了；第二阶段是系统高度集成的能力破冰阶段，机器人各方面的能力开始形成；第三阶段是高动态运动能力的突破阶段，机器人开始能跑能蹦，能够运动；第四阶段是产业化落地的阶段，人形机器人的结构做得轻便、节能，而且比较便宜。
随着技术的不断突破和产量的提升，单台人形机器人的售价也从动辄上百万元逐渐降低。我记得我当年在麻省理工学院的时候，他们设计了一个机器狗，其中有个光纤传感器要4万美元，那谁用得起啊？所以，降低成本始终是一个非常重要的研究方向。
我国有强大的产业链支撑和巨大的市场需求，从基础元器件的制造到系统的集成、应用场景的开发，我国人形机器人领域展现出一幅快速发展的图景。
从未来5年的短期来说，在材料制造方面，我们将继续探索一些高强度、轻量化的材料，以提升机器人的动作精度和能效；在安全和可靠性方面，进一步提高关键部件像电机、传感器、芯片等的稳定性，满足工业和服务环境的需要；在应用场景方面，主要在智能制造、商业消费类场景以及一些危险场景中应用人形机器人。
从未来15年的中期来说，人形机器人可以在更加复杂的环境中承担各种任务，在安全方面拥有自检测和自修补的功能。在应用场景方面，机器人将应用于医疗、教育等专业领域，提升社会服务的能力。
从未来30年的长期来说，机器人将实现类人智能的自主学习和情感交流，能够适应多场景的服务，实现社会的全面普及，覆盖家庭助理、养老照护、救援等高度复杂的场景。
人形机器人技术还将带动其他行业的发展，包括智能汽车、智能工厂、智慧医疗等。尤其在智慧城市方面，人形机器人的多模态、大语言模型可以部署到城市的大型商店、政府机关等场所，为市民提供便捷和可靠的公共服务。
目前，我国的人形机器人企业已在人工智能芯片、柔性关节、动态平衡、算法等领域取得突破。曾经被视作未来畅想的人形机器人已经开始站在全球科技舞台的中央。放眼未来，我们将继续瞄准制造业转型升级的重大机遇，在技术上不断突破与创新，为人形机器人产业的可持续发展奠定坚实的基础。
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