人形機器人，有什么值得期待？
在那個第一臺黑白電視機在美國初初面世、距離后世著名的“圖靈測試”問世仍有11年的年代，這樣酷炫的產品自然引起了世界范圍的關注。一時間，Elektro風頭無兩，上電視、演電影、到各地巡回演出，甚至擁有了自己的機械狗Sparko。
以當下的技術眼光看，Elektro這些所謂的“技能”其實更多是噱頭——所謂的“走路”，依靠的是輪子和軌道；與操作員的“對話”，則是通過預先設計好的特殊音節代碼實現；而別具特色的“抽煙”，則是靠助手把煙塞進它上嘴唇的洞中并點燃。
高調亮相的背后，卻是，普通的落地。
而這一幕與當下人形機器人們的處境也何其相似：本田的Asimo表演踢足球，波士頓動力的Atlas能后空翻，小米的“鐵大”在發布會上給雷軍獻花后還學起了敲架子鼓。人們充滿驚奇地欣賞完舞臺秀之后，卻在商業應用方向感嘆：就這？
80年過去了，人們對機器人的想象早已不是這樣“形”上的模仿，而是期待一款真正能成為勞動力替代的全能型產品，并且要經濟實惠到足以從實驗室走進生產線，切實在某個應用場景中發揮效用。那在供需天平的另一端，制造機器人的企業，圍繞"人形"做文章已久，又是否真正努力過實現機器代人？
據此，本文將回顧走在技術研發前線的兩款機器人，Asimo與Atlas的艱難產業化進程，盤點當下最火“擎天柱”Optimus的技術亮點，以此展望：人形機器人，商業化路在何方？
01還沒有一家人形機器人公司能實現商業化
人形機器人發展至今，已經見得了總統，上得了春晚，當得了男團，功能酷炫上天，但在商業上還是難以落地。本田Asimo、軟銀Pepper均已經停產，波士頓動力Atlas、特斯拉Optimus也還尚處于實驗室階段。為何產業化那么難？就拿人們最期待的本田Asimo和波士頓動力Atlas來說一說。
“時代先驅”本田Asimo ，Born in 2000
從高達和新世界福音戰士等一系列日本動漫可以看出，似乎日本對于人形機器人有一種與生俱來的執念，而濃厚的機器人產業底蘊以及良好的經濟基礎，也給這個時期的日本研發人形機器人提供了良好的環境。
自 1967 年起，日本人就在仿人機器人領域孤獨地前行了半個世紀。而本田的ASIMO ，被認為是致敬著名科幻作家阿西莫夫Asimov，它作為全球最早實現雙足行走能力的機器人，代表了日本人形機器人的最高成就。
持續半世紀的孤獨前行
Asimo前前后后迭代了6個版本。第一階段1986年至1993年，主要攻克機器人下肢運動能力，解決雙足運動和穩定性的難題。第二階段從1993至2000年，逐漸增加了頭、身體和手臂，此時，可以說，一個完整的Asimo雛形初現。此后第三個階段，本田似乎想要在Asimo的靈巧手上發力，機械手（B25J ）的專利數量在2003-2008年達到頂峰，占據了本田機器人相關專利近60%。
最新發布的Asimo單手有 13 個自由度，雙手自由度幾乎占到全身自由度的一半，通過液壓驅動實現精細動作，從而能比劃手語，在不捏碎杯子的情況下拿起杯子。本田研發有限公司資深總工程師兼本田人形機器人項目負責人Satoshi Shigemi說：「很明顯，整體的靈活度是必需的，并因為手部運行能力的提升，它能夠完成更復雜的任務。
現實與夢想的差距
雖然酷似阿童木的Asimo一出生就受到世界人民的喜歡，但實際表現卻不能像動畫片里的機器人戰士一樣滿足人們對人形機器人的一切幻想：只能完成“擰開蓋子”“倒水”“踢足球”“跑步”這樣的簡單功能，會把高舉手機照相的動作誤認為“舉手”，然后一直不停地說“有什么問題要問Asimo？”，充滿電后僅能運動1小時。
Asimo更像是一個宣傳人形機器人的大使，周游全球，這與本田想要機器人服務老年人的初衷背道而馳。除此之外，300-400萬美金的造價，一個月10萬人民幣的租賃費也讓人瞠目咂舌，而目前日本平均護工的工資也不過1.5萬人民幣/月。本田公司機器人相關專利申請時間分布，數據來源：incoPat 專利檢索
雖然Asimo代表了人類一個時期最強的人形機器人，但高昂的成本、并不成熟的供應鏈體系、差強人意的表現，以及更聚焦細分功能、場景的掃地/服務機器人等商業進展迅速，最終導致Asimo在2018年退出歷史舞臺。
“地表最強”雙足機器人Atlas，Born in 2013
Atlas，可謂是“流離失所、坎坷一生”。
1992年，學術派創業者Marc Raibert院士從麻省理工將Leg Lab 實驗室（致力于研發腿式機器人）剝離出來，成立了波士頓動力公司。得益于Leg Lab優良的腿部運動研究基礎，波士頓動力獲得了美軍的青睞，旗下人形機器人Atlas的雛形就源自于2009年為美軍測試防護服性能的機器人Petman。
2013年，谷歌母公司Alphabet收購了波士頓動力，第一次市場化嘗試卻不如意，一個想要市場，一個堅持理想，沖突不斷升級，終于，谷歌在2015年關閉了機器人部門Replicant，并在2017年將波士頓動力賣給了軟銀。然而，軟銀在愿景基金帶來的約1.8萬億日元（約171億美元）的投資虧損下，也不得不斷尾求生，于2021年將波士頓動力賣給了韓國現代。
追求極致的運動能力
為了將運動能力做到極致，Altas使用了液壓動力裝置，依靠流體動力可在狹小空間實現密集解決方案，特別適合大負載的場合，例如運載火箭的發動機、中國空間對接綜合試驗臺，還有那滿大街的挖掘機。框架和腿則采用3D打印技術，巧妙的將液壓管道內置在3D打印鈦金屬骨骼內，有點模仿人類血管在骨骼內那味兒了。
同時，通過頭部的搭載的RGB攝像頭和TOF深度傳感器獲取更加全面的環境信息，利用自創的“軌跡優化行為庫"和模型預測控制器（MPC），根據運動情況調整其發力、姿勢、動作發生時機等細節。
除了秀，還能干啥？
在以上如此優異的性能下，劣勢也顯而易見。首先，昂貴。Atlas使用了很多特殊和高成本零部件，一臺造價就高達200萬美金，而同臺跳舞的的機器狗spot雖然售價不到1/20，也僅售出200來臺。其次，“嬌嫩”，維護成本高、噪音高、電耗高等。波士頓動力也承認，Atlas機器人的可靠性還無法與機器狗spot相比。最后，寂寞，找不到合適的應用場景。
Asimo、Atlas，雖然相差十三年，但結局卻一樣，高昂的成本、缺失的場景，只能淪為行業先驅。
02馬斯克的擎天柱，再一次點燃信心
時間回到2006夏日的一天，馬斯克夢到一個完全自動化的未來制造工廠，機器人高速制造所有東西，這些東西被傳送帶在正確的時間運送到正確的地方。夢醒后興奮的馬斯克，宣布特斯拉要用“機器生產機器”，也就是建立全自動化工廠模式。
接下來便是特斯拉眾所周知的“產能地獄”經歷。而自動化工廠的失敗，并沒有打消馬斯克對于全無人工廠的執念，反而播下了量產“工人”的種子。他多次在公開場合發起了牢騷：為什么現在的機器人，都無法實現像人手一樣實現“撿起零件并放置在電池上”這類簡單的任務。
因此，當人形機器人Optimus發布時，馬斯克還特意讓機器人演示了一遍這個動作，以表成功。但從效果來看，Optimus還是落了個“高開低走“的狀況，運動能力嚴重落后于公眾預期。不過，它那雙五指靈巧的手，還是值得深究，成為人形機器人商業落地的一個重要突破口。
Optimus的“靈巧手”，圖片來源：特斯拉AI DAY 2022發布會預告
研究一雙靈活的手
人手能以每秒300度的速度移動，擁有成千上萬的觸覺傳感器和21個主動自由度，是人類勞動最完美的工具。而人類對機器人多指靈巧手的研究，則是從假肢開始的，作為一個單獨學科，已經有64年的研究歷史。
目前主流的靈巧手有兩種方式，一種是內置式，即將驅動、傳感、控制等所有的驅動執行零部件都集成在手掌內。典型代表的靈巧手，是由哈爾濱工業大學機器人研究所 (HIT) 和德國宇航中心 (DLR) 合作了20多年共同研發的，而這個手掌因為集成零件多，也是普通人手掌的1.5倍大。
另一種，則是外置式。即將體積較大的電機驅動器外置在手臂，采用拉線方式從遠端控制靈巧手的關節。這種方時和內置相比，成本更低、難度也有所降低。典型代表是英國的shadow hand，而馬斯克的Optimus也采用這種方式。
一歲嬰兒就會抓取，但對于機器手而言，且不說完全比得上人手，即使可以使用，都走了一段半個世紀的研發路。那么，馬斯克的Optimus，有什么不同呢？
左右滑動查看，驅動外置靈巧手代表：英國shadow hand，圖片來源：Shadow Robot
左右滑動查看，典型內置式多指靈巧手：DLR-HIT Hand II 靈巧手，圖片來源：Institute of Robotics and Mechatronics
人形機器人“第一手”
Optimus的設計靈感來自于生物學，和人手一樣同樣使用5個手指，擁有11個自由度。像拉線玩偶一樣，由5根“經脈”（線驅動) 獨立控制手指的彎曲和展開，負重20磅（9KG）和自適應抓取（能夠抓取不同形狀、尺寸的物體）的能力，因此，使得Optimus的手部勞動力能夠勝任工廠的一般工作。
手腕則由兩根執行器控制，這個設計不僅能讓手腕轉動，還可以做水平的動作，這也是目前市面上其他人形機器人鮮有見到的。除此之外，特斯拉還需要將4-5kg左右的電驅手臂集成在雙足機器人上，這對人形機器人的行動、操作和精巧抓取都提出了更高要求。
雖然Optimus在技術領域實現了提升，但對于人形機器人而言，更重要的話題是：成本，能夠量產降本才是核心。
量產的突破
馬斯克準備用SpaceX的套路打造機器人，一切都是以規模產業化為目的，以指數級砍成本。
一方面大量復用特斯拉汽車現有技術降維打擊，包括電池、散熱、視覺避障等。胸腔內安置的2.3kWh的電池，能支撐Optimus工作一整天。這個耗電量，差不多也是一個成年勞動者一天消耗的能量。另一方面全身都沒有使用特殊訂制的零部件，而是優化了全身 28 個驅動器設計參數，最終采用通用的兩類六種伺服關節（基于無框力矩電機+諧波減速器的旋轉關節，基于力矩電機+滾珠絲杠的線性關節）。而至于Optimus比老人還走的慢，那是因為特斯拉損失了一定響應速度，以降低能耗。
通過這套流程下來，Optimus的吸引力大增：2萬美金一臺、一周工作7天、充電一次工作一整天。而對比之下，美國特斯拉工廠一個普通工人工資一小時最少16.2美元，一個月近6000美元，也就是說，3個月普通工人的工資，就能買下一臺一周工作007、不會請假、不會抱怨的高效“廉價勞動力”。
而在小批量量產以后，馬斯克還可以將Optimus放在特斯拉超級工廠里，邊工作邊迭代，也許將來有一天，我們會看到成千上萬個Optimus在火星上幫人類搭建家園。
正是因為有了量產的規劃、手的突破，因此，鋼鐵俠馬斯克，還是給大家帶來了很多期待。
03技術的演進路徑
人形機器人的發展還處于突破技術壁壘的早期階段，導航定位、環境感知、指令分析、行為控制等關鍵技術，都還沒完成從“能用”到“好用”的長征，那么，會有哪些技術演進路徑呢？
雙足行走，不是移動機器人的唯一選擇
雙足對于人形機器人來說承擔著移動的任務。但相比起來，輪式和四足機器人應用更成熟、成本更小、技術難度更低。波士頓動力曾公開表示，目前Atlas將不會商業化，真正實現商業化的是它的四足機器人。這兒大膽猜測一下，特斯拉的Optimus，是否會像馬斯克的第一輛電動酷炫超跑一樣，目前的雙足只是噱頭，最終產業化的時候又會回到四足或是輪式？
機械手的靈敏度，反映人形機器人的技術實力
靈巧手的關節越多代表越靈活，能做的操作也越多。本田從足部運動轉向機械手研究，雷軍公開招募靈巧手機械工程師，也說明了人形機器人的玩家，開始意識到手的重要性。
機器人1.0時代的代表“機械臂”模仿人手在制造和組裝流水線，進行著無聊的、重復的、固定的工作；機器人2.0時代的代表物流機器人，通過輪子在提前規劃好的路徑移動，利用視覺感知獲取信息并判斷，將物品搬運至固定的位置。
這兩個階段的“手”，也就是末端執行器，可以是帶有噴槍、焊槍的工具，也可以是氣動吸盤（如波士頓動力Handle Logistic機器人），又或是模仿人手的夾鉗（如小米鐵大）、三指夾爪等。
而機器人3.0時代的手，也許會是布滿了傳感器，通過感知物體的重量、大小、溫度，采取不同的姿勢和力度對不同形態的物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻，再加上頭部的機器視覺、算法等技術，最終可以像人一樣進行更準確的判斷。
智能交互，才是我們期待的未來
“手”的操作離不開“腦”的決策，“智能化+類人形+低成本”是機器人發展的主要趨勢。
機器人研發一般采用“本體—技能—智能”自下而上的研發路線，從雙腿運動逐步擴展到手等功能部件，最后考慮智能化。人形機器人的未來將是，如何讓人形機器人“更聰明”，面對復雜的跨場景工作模式，要真正地實現代替人，還需提升AI技術的感知能力。
目前的 AI 應用層面仍然過于單點化，只有 AI 能力實現，實現由單點智能向全局智能、由認知智能向決策智能的跨越，我們才能與更聰明的AI 機器人頻繁互動。而通過硬件、算力、算法、數據等要素持續迭代升級，實現人與機器人之間達到人和人之間的交互體驗，這也是終極人形機器人商業化發展的重要一步。
04結語
一款真正能成功產業化的產品，除了技術的成熟、成本的降低，最重要的還要有足夠廣闊的落地場景：例如二維碼，也是在技術成熟15年后，才在微信“掃一掃加關注”這個場景下，得到了前所未有的應用。
而機器人行業，會有一道共性難題：標準化生產、和非標準化的應用場景。標準化、大規模生產，才有助于降低成本；但要實現大規模，場景必然會擴大，于是又會面臨許多非標準化的需求。這是機器人不同領域、不同公司都要平衡的要素。
縱觀目前大規模應用的各類機器人，能快速實現商業落地的，大多有幾個特點：功能單一、使用場景固定、需求清晰，比如工業機械臂、掃地機器人等。而人形機器人既有優勢、又有劣勢，更需要對矛盾“把玩琢磨”。
一方面，人形機器人的天然優勢在于其通用性。集成功能多、終極通用裝置，一款成熟的產品即可適用于廣泛的需求場景，不再有傳統“工業機器人”、“服務機器人”這樣明確的功能屬性。因而，具備標準化、大規模生產的基礎，可以快速降本。
但，另一方面，正是因為哪里都能用，所以，也有可能會顯得，哪里都不是最好用，或者說，有些功能是冗余的。因此，找到場景就很關鍵。
比較之下，工業場景也許是人形機器人邁向產業化的第一塊陣地。工業場景，既有需求，可以將人類從繁重、危險的“4D”工作中解放出來；又具備一定通用性，適配部分工業場景領域分散、各自規模較小的問題。同時，在經濟性上，相對于C端客戶，工業場景的支付意愿、能力也更高。
人形機器人，技術在不斷突破新高，但人類的需求也在不斷豐富、復雜。這是一場供給和需求的賽跑、技術和商業的較量，前后者之間，似乎就像程序員永遠跟不上產品經理的步伐一樣。但幸運的是，技術的發展，并非線性，奇點之后就會有極大跨越。
也正因此，在大眾紛紛失望嘆氣之時，人形機器人領域創業者和投資人們，依然會在心里打氣：這是“長坡厚雪”。
來源：遠川科技評論
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