人們一直夢想擁有像人一樣的智能機器助手。戰國時期【列子·湯問】中的工匠偃師制造了能夠模擬人類動作行為、能歌善舞的偶人；希臘神話中的赫菲斯托斯鑄造了金屬巨人塔羅斯以守護家園；經典科幻作品【我，機器人】暢想2035年機器人不僅具備高超的運動能力，還衍生出人類情感，高度融入人類生活。如今，隨著人工智能與機器人技術迅猛發展，創造仿人智能夥伴的想法逐漸成為現實，人形機器人將在工業生產、醫療健康、科學探索等領域發揮重要作用，助力人類邁向更加美好的未來。
歷經三大發展階段，人形機器人通用化智能化行程正在加速
人形機器人也稱仿人機器人，是指具有人類形態和功能的智能機械體。它們通常擁有頭部、軀幹和四肢等類人結構，具備感知決策、運動控制、肢體執行等能力，能夠利用先進的傳感器捕捉視覺、觸覺和聽覺等資訊，並透過控制系統實作類似於人類神經傳導的功能，用伺服電機模擬人類關節運動。這些類人特性使得人形機器人能夠適應人類生活和工作的各種場景，不僅可以承擔繁重危險的任務，也能透過互動協作成為人類得力助手。
自上世紀60年代至今，人形機器人的發展歷程大致分為三個階段。在千禧年之前的早期探索中，人形機器人可以行走，並在手部功能上實作外觀仿形和簡單運動。在其後10余年的智能化起步階段，人形機器人具備初級感知功能，可以有限度地與外界環境互動，並且運動自由度有所提升。2016年至今是智能化進階階段，人形機器人搭載起人工智能、機器學習和電腦視覺系統等先進技術，提升了感知和認知功能，不僅能夠靈活敏捷地適應外界環境，而且具備通識理解能力。當前，人形機器人在環境理解和智能互動等領域取得顯著進展，通用化智能化行程正在加速。
從世界範圍內看，全球人形機器人研發競爭激烈，很多國家和地區已將發展人形機器人產業提升至國家戰略高度。中國人形機器人研究與產業尚處培育期，但已呈現出加速發展趨勢，湧現出一批具有國際競爭力的人形機器人企業，部份技術成果已接近國際領先水平。
對人體的高度復刻需要前沿科學、尖端技術深度交叉融合
人形機器人的結構設計是對奇妙人體的重塑，不僅需要多學科交叉融合，更是尖端科技的集大成者。其設計原理主要包含以下幾個方面。
仿生學與機械工程的有機融合。設計人形機器人，需要運用仿生學原理，透過模仿人類的身體結構和運動規律，為機器人創造類似骨骼、關節、肌肉和皮膚系統的機械結構。這不僅使其能夠像人類一樣自然地運動，還具備靈活性和適應力。機械工程理論的新發現，則保證了人形機器人結構的穩固。精確選擇材料、巧妙設計結構，能夠讓人形機器人保持穩定高效的執行狀態，從而勝任復雜任務。
傳感技術與控制理論的整合突破。傳感器扮演著人類感知器官的角色，能夠像眼睛、耳朵和皮膚一樣感知環境資訊。視覺傳感器透過網絡攝影機捕捉環境影像，讓人形機器人能夠辨識物體、區分顏色和形狀；聲音傳感器接收並解析語音指令，使人形機器人能夠聽懂和回應人類的話語；力覺傳感器仿效人體的力覺感受，使人形機器人能夠精確感知與外界互動過程中的接觸力；觸覺傳感器模仿人類觸覺，幫助人形機器人精準感知物體的形狀和硬度。控制系統是人形機器人的大腦，借助計算單元和智能演算法，處理獲取的數據並作出決策。在這個過程中，多種智能演算法的套用讓機器人越來越接近人類。比如，強化學習方法透過試錯學習，調整行為策略；深度學習方法利用深度神經網絡，處理視覺、語音辨識等任務；自然語言處理方法使人形機器人能夠理解人類語言並進行互動。人形機器人整合多種傳感器與智能控制演算法，突破了過去感控方法單一的局限性。
驅動方式與執行動作的精準協調。人形機器人的驅動器負責將能源轉換為機械運動，根據能量轉換方式的不同，驅動方式可分為電機、液壓、氣動等，如高效電動馬達、精密液壓系統、氣動人工肌肉等。執行器則負責具體操作，可完成抓取、搬運或其他高精度動作。驅動方式與執行動作的精準協調就像是力量與動作的完美對映，透過驅動方式的選取與執行動作的調控，人形機器人甚至能復現人類的微笑、皺眉、驚訝等表情，從而更加親切自然地與人類互動。
人形機器人面臨四大技術挑戰
雖然人形機器人的科學原理不斷清晰明朗，但當前還有一些技術挑戰需要勠力攻克。
健壯靈活的四肢。人形機器人需要具備強有力且活動範圍大的四肢，以做出多樣化動作。由於電驅動成本低、靈活度高、動力強勁，大部份人形機器人都采用基於電機、驅動器和電池的電動關節形式。當前，電池、印刷電路板等產業鏈較為暢通完善，為實作電動關節的低成本制造提供便利，也為人形機器人的大規模生產奠定基礎。然而，要實作更強動力、更輕重量和更高控制精度，需要對關節進行電、磁、熱、機械等多維度的物理最佳化設計。
敏銳強大的神經。人形機器人神經系統的主要任務是感知外部環境並對數據進行處理，以支持智能決策的制定。實作高效感知的關鍵在於先進傳感器技術和強大數據處理能力。有的科技企業已將無人駕駛汽車的傳感器系統套用於機器人研發，使人形機器人能夠即時感知周圍環境並精確處理數據。比如，激光雷達系統精確測量周圍環境，有效提升人形機器人感知能力；深度相機捕捉的高精度三維影像，提供詳細環境資訊；柔性薄膜傳感器像人形機器人的「皮膚」，感知壓力和觸碰。隨著傳感器數量增加，提升傳感器數據的即時性和準確性，有效整合處理數據，成為新的研究方向。
流暢協調的小腦。類似於人類小腦，人形機器人需要依賴先進的運動學和動力學控制演算法，實作復雜動作的協調控制和流暢完成。這需要精確的運動學建模和即時的運動規劃控制。中國在這一領域取得進展，特別是在運動控制演算法和傳感器融合方面卓有成效。然而，與傳統的工業機械臂和柔性機械臂相比，由於人形機器人自由度高、動作模型復雜，其高精度運動控制和即時響應速度仍有提升空間。
博學智能的大腦。人形機器人真正的「靈魂」在於智能行為和決策能力，這決定了其套用的廣度和深度。要實作高度智能化的行為，人形機器人需要具備強大的計算能力和先進的人工智能演算法。在人工智能領域，核心演算法和系統整合是我們的努力方向。要不斷增強人工智能的自主學習能力，提升系統整合度，開發更為智能和自主的決策系統，以實作人形機器人的真正智能化。
人形機器人發展重要時期即將來臨
人形機器人作為人工智能、高端制造、新材料等尖端技術的集大成者，其套用前景無比廣闊。未來3—5年，將是人形機器人發展的重要時期。在此期間，我們有望見證關鍵技術的突破，如高效能核心零部件的研制、人工智能演算法的深度套用等，為產業化發展奠定堅實基礎。同時，隨著技術日益成熟、成本逐漸降低，人形機器人有望突破成本瓶頸，實作規模化量產，從而套用於更廣泛領域。
讓我們設想一組未來場景：在工廠中，人形機器人與技術工人並肩勞動、互為補充，極大提升生產效率；在家庭中，人形機器人化身貼心的管家，照顧老人、陪伴孩子，甚至可以處理繁瑣的家務；在醫療領域，人形機器人可執行高精度的手術，拯救生命；在應急處置中，它們勇往直前、深入險境、開展救援。此外，在國家重大工程、科研探索等諸多領域，人形機器人也將發揮重要作用。
人形機器人是機器人技術的制高點，也是科技競爭的新高地、未來產業的新賽道、經濟發展的新動能，將深刻影響人類生產生活方式和全球產業發展。當前，中國人形機器人產業正面臨前所未有的發展機遇，政府大力支持，科研院校聚焦技術攻關，科技企業百舸爭流，共同建立完善產業生態。置身其中，我們深感科技的創新力量，更見證了人類智慧的璀璨光芒。相信在多方共同努力下，人形機器人將幫助人類邁向更加智能、便捷、高效的生活。
（作者丁漢為中國科學院院士、華中科技大學教授，陶波為華中科技大學教授）
推薦讀物
【仿人機器人理論與技術】：陳墾、付成龍著；清華大學出版社出版。
【人與機器人：創造機器人的終極目標是什麽】：本尼·莫爾斯等著，嚴笑譯；貴州人民出版社出版。
【機器人革命：即將到來的機器人時代】：約瑟夫·巴科恩、大衛·漢森著，潘俊譯；機械工業出版社出版。
（來源：人民日報）
