不再是科幻：人机混合体——人形机器人比任何其他机器都更擅长哪些方面

Konrad Wolfenstein

9个月前

不再是科幻：人机混合体——人形机器人比其他任何机器都更胜一筹的地方——图片来源：Xpert.Digital

机器人同事的崛起：为什么宝马和奔驰现在都依赖类人机器

不仅仅是人工智能：阻碍人形机器人取得成功的一大难题

曾经只存在于科幻小说中的机器人，如今正走进现实世界的工厂车间：一个全新的自动化时代正在到来，而推动这一变革的正是人形机器人。它们不再是孤立环境中运行的专用机器，而是成为我们身边的得力助手。这一范式转变得益于两大趋势的融合：一是人工智能的突破性进展，使机器人能够通过观察进行学习；二是高度发达的传感器和执行器，赋予机器人类似人类的动作。.

尽管宝马和梅赛德斯-奔驰等汽车巨头以及全球物流公司已经开始启动初步试点项目，以实现单调乏味且体力消耗巨大的工作的自动化，但大规模应用之路仍然充满重重障碍。电池续航能力有限、安全问题尚未解决以及购置成本仍然居高不下，这些都阻碍了机器人技术的广泛部署。然而，人们对这项技术的预测非常乐观，中美两国之间争夺技术霸权的全球竞赛已经全面展开。我们是否正处于一场将可持续地重塑我们工作世界和社会的革命的开端，还是这仅仅是一场炒作，其中还存在着尚未解决的初期问题？本文将概述这项技术的现状、面临的最大挑战以及新时代机器人技术背后的远大愿景。.

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新机器人时代：为什么人形机器可能塑造自动化未来

我们是否正面临机器人领域的范式转变？几十年来，传统的工业机器人一直作为专业化的劳动者在偏远的生产区域工作，而新一代人形机器人正在逐步进入人类的工作场所。问题不再是这些机器是否会到来，而是它们普及的速度以及它们将在我们的未来扮演怎样的角色。.

是什么让类人机器人如此特别？

人形机器人与传统工业机器人有何区别？答案在于其根本的设计理念。人形机器人拥有类似人类的身体结构，包括两条手臂、两条腿和一个可活动的躯干。这种配置开辟了全新的可能性，使机器能够在原本为人类设计的环境中运行。.

决定性优势在于其通用适应性。传统机器人是专门为特定任务设计的，通常需要对工作环境进行大量改造，而人形机器人理论上可以在任何人类工作的地方使用。它们使用相同的门、楼梯和工作台面，操作相同的工具和机器。.

哪些技术进步将促成这一突破？

数十年的研究如何突然催生出一项可立即投入市场应用的技术？答案在于多项技术发展的融合。一方面，机电执行器的进步和传感器技术的显著提升奠定了硬件基础。现代人形机器人配备了精密的摄像头系统、激光雷达传感器、麦克风和力矩传感器。触觉传感器则使它们能够感知是否与物体或人发生接触。.

另一方面，人工智能已成为人形机器人最重要的推动力。该领域的突破速度甚至超过了专家们的预期。生成式人工智能模型正在彻底改变机器人的交互方式，并可能成为为机器人构建世界模型、使其能够在环境中导航的关键。.

大型行为模型如何革新机器人控制？

如果机器人不再需要编程而是通过训练，会发生什么？波士顿动力公司用其Atlas机器人展示了一种全新的方法：大型行为模型（LBM）。这种模型使机器人能够通过观察来学习复杂的任务，而不是为每个动作都进行详细的编程。.

这项技术的工作原理与语言模型类似：Atlas 既可以学习简单的抓取和放置任务，也可以学习更复杂的操作，例如系绳子、翻转吧台凳或铺开桌布。尤其值得注意的是，这些任务使用传统的机器人编程技术很难实现，因为它们涉及可变形几何体和复杂的操作序列。.

目前人形机器人已经在哪些地方投入使用？

哪些公司已经在实际应用中使用人形机器人？目前商业应用案例虽然不多，但已经相当可观。Agility Robotics 凭借其 Digit 机器人，在该领域扮演了先锋角色。2024 年年中，该公司与物流供应商 GXO 签署了一份多年期合同。Digit 机器人被应用于一家纺织企业，负责从运输架上取下箱子并将其放置在传送带上。.

宝马公司已在其位于美国斯帕坦堡的工厂测试加州Figure公司生产的人形机器人约一年。这些Figure 02机器人从运输架上拾取钣金零件并将其放入夹具中。梅赛德斯-奔驰公司也在其位于柏林的数字化工厂园区和生产工厂测试德克萨斯州Apptronik公司生产的人形机器人。这些名为Apollo的机器人目前的任务相对简单：将零部件或模块运送到生产线，或执行初步质量检查。.

为什么汽车制造商走在了前列？

是什么让汽车行业成为人形机器人的理想试验场？该行业面临着诸多挑战，而人形机器人恰好可以应对这些挑战。首先，熟练工人严重短缺，尤其是在体力劳动强度大的领域。其次，现代生产方式需要更高的灵活性，而传统的固定式机器人无法提供这种灵活性。.

人形机器人在这方面具有关键优势：它们无需进行大规模改造即可集成到现有生产线中。这在所谓的“棕地改造”项目中尤为重要，因为这些项目需要对现有设施进行自动化升级。由于其外形酷似人类，机器人可以使用与人类工人相同的工具和工作站。.

哪些挑战限制了它的使用？

为什么人形机器人至今尚未得到广泛应用？最大的障碍在于几个关键领域。电池续航时间是根本性的挑战。目前的人形机器人电池续航时间仅为2至4小时。要实现实际应用，至少需要将续航时间提升至4至5小时，并支持一小时内快速充电。.

问题在于直立运动的能量消耗。保持站立和行走稳定需要消耗大量能量，并且需要强大的计算能力，而计算能力本身也会消耗相应的能量。双足行走的效率低于滚动。一个重约 80 公斤、体积为 80 升的人形机器人，考虑到四肢、电机、电子元件和结构部件，其电池空间非常有限。.

机械设计有多复杂？

是什么让类人机器人的关节设计如此具有挑战性？人类拥有140个真正的关节；如果算上椎间盘等所谓的“假关节”，关节数量则高达212个。而类人机器人却只有大约48到68个关节。这种关节数量的减少导致了灵活性的妥协，也解释了为什么即使是先进的机器人仍然显得“髋关节僵硬”。.

对关节技术的要求极其苛刻。人形机器人需要高度紧凑的设计，将电机、齿轮箱、驱动器、编码器和传感器集成到一个模块中。同时，它们还必须具备轻量化、低能耗、低发热量和高响应速度等特点。根据关节在人体中的位置，其要求也大相径庭：腿部关节必须承受重载并产生高扭矩，而手臂和腕关节则需要针对精度和紧凑性进行优化。.

存在哪些安全风险？

为什么安全是人形机器人大规模部署的最大障碍？与在防护区域内运行的传统工业机器人不同，人形机器人旨在与人类直接协同工作。这带来了全新的安全挑战。.

平衡控制是一个关键问题。当机器人用两条腿行走时，可靠的控制系统必须确保其平衡。如果控制系统失效，机器人可能会摔倒并伤及附近的人。人形机器人通常体型庞大、重量沉重且动力强劲。如果没有充分的安全措施，它们可能会因碰撞、挤压或跌倒而意外伤人。.

更糟糕的是，目前尚无针对动态稳定型工业移动机器人的既定安全标准。尽管国际标准化组织（ISO）已指定一个委员会负责制定安全规则，但这些标准仍在制定中。.

人形机器人何时才能在经济上可行？

人形机器人要达到怎样的成本水平才能成为经济上有吸引力的替代方案？价格下降的速度远超预期。目前，大多数人形机器人的售价在20万至25万美元之间。梅赛德斯-奔驰生产主管约尔格·布尔泽表示：“成本将至关重要……当价格降至数万美元——这完全有可能——时，它将变得非常有趣。”.

乐观的预测认为成本将大幅降低。德国咨询公司Nexery预计，到2030年，人形机器人的平均售价将为5.5万美元。摩根士丹利预测，到2050年，人形机器人的平均售价将降至5万美元，这大致相当于高收入国家一年的人力成本。.

考虑到总运行时间，成本分析就变得尤为有趣。如果一台机器人每天工作两个8小时班次，那么一台成本为16,000美元的机器人，在三年内按折旧计算，其每小时的实际成本不到2.75美元。.

市场规模究竟能达到多大？

人形机器人未来能达到怎样的经济规模？各方预测差异很大，但都指向巨大的增长潜力。摩根士丹利估计，到2050年，人形机器人市场规模（包括相关供应链以及维修、维护和支持服务）可能达到5万亿美元。到2050年，将有超过10亿个人形机器人投入使用。.

最雄心勃勃的预测来自特斯拉首席执行官埃隆·马斯克，他预测到2040年，全球将有100亿个人形机器人——比联合国预测的2040年地球人口总数92亿还要多。2024年初，高盛预测2035年全球机器人市场规模将达到280亿美元——是此前预测的六倍。.

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德国在机器人竞赛中：是迎头赶上还是落后？

哪些国家在发展方面处于领先地位？

人形机器人创新中心在哪里？市场观察人士普遍认为美国和中国处于领先地位。国际机器人联合会（IFR）列出了全球46家已研发出带腿人形机器人的公司：北美8家，中国21家，日本和韩国各6家。.

在中国，政府多年前就制定了明确的机器人技术发展目标，并为该产业提供了大量支持。在美国，巨额风险投资正涌入机器人初创企业。此外，美国对将机器人技术应用于军事和安全领域也抱有浓厚的兴趣，因此美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国国防部也为此投入了大量资金。.

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德国在人形机器人领域扮演着怎样的角色？

德国还能在人形机器人领域迎头赶上吗？目前，唯一一家在该领域获得显著认可的德国企业是位于斯图加特附近梅青根的Neura Robotics公司。该公司成立于2019年，其主要研发方向并非人形机器人，而是“认知机器人”。在其五款产品中，只有一款是人形机器人。.

德国人工智能研究中心 (DFKI) 正致力于人形机器人未来的发展。其机器人学习系统人工智能 (SAIROL) 研究部门开发基于学习的人形机器人控制算法。位于不来梅的 DFKI 机器人创新中心则致力于研究安全且具有自学习能力的机器人控制创新方法。.

最重要的应用领域有哪些？

人形机器人将首先应用于哪些领域？首批商业应用集中在物流和制造业，这些领域的任务具有重复性和结构性。预计到2050年，超过90%的人形机器人将用于工业和商业用途，而只有不到10%会用于家庭。.

在制造业中，人形机器人可以执行各种各样的任务：机器控制、生产线装载、工作站之间工件运输、装配工作、机器装卸、焊接、拧螺丝、抛光和研磨、粘合和计量、检验和质量控制以及喷漆。.

工作方式如何从确定性转变为自主性？

从确定性机器人到自主机器人的范式转变意味着什么？传统机器人的动作被精确到最小的细节都预先编程，而人形机器人则旨在识别和分析其周围环境，并至少在一定范围内自主决定自身的行动。.

这种转变不仅限于人形机器人，也适用于固定式机器人或轮式机器人。人工智能最初独立于物理形态，可以应用于各种“载体”。然而，人形机器人凭借其多功能性和对人类环境的适应性，具有独特的优势。.

还有哪些替代方案？

双足机器人总是最佳选择吗？许多开发者和用户都在思考，双足机器人是否真的是最优解，或者四足机器人是否更合适。四足机器人已经投入生产使用：波士顿动力公司的机器狗“Spot”已经在奥迪和宝马的工厂里巡逻了一段时间，扫描工厂设施并创建工厂的数字孪生模型。.

Apptronik 为其 Apollo 机器人设计了模块化结构。根据应用需求，客户可以选择将躯干安装在轮式底盘上，或安装在固定底座上。这种灵活性表明，并非所有应用都需要完全人形的机器人。.

哪些行业将率先发生变革？

人形机器人带来的变革将在哪些领域最先显现？物流行业首当其冲。作为全球最大的合同物流供应商之一，GXO物流公司认为人形机器人有望解决持续存在的劳动力短缺问题，并满足对适应性强的自动化需求。这些机器人可以承担重复性、体力劳动强度大的工作，使人类员工能够专注于更安全、更具创造性的活动。.

在汽车生产领域，宝马、梅赛德斯-奔驰和其他制造商正在展示如何将人形机器人集成到现有的iFactory项目中。这一数字化生产战略旨在提高制造效率、可持续性和灵活性。.

长期来看，这对社会会有哪些影响？

随着人形机器人的出现，工作世界将发生怎样的变化？虽然自动化到2025年可能会导致8500万个工作岗位消失，但同时也会创造9700万个新的就业机会，其中许多都与机器人管理和维护相关。在制造业，到2030年可能会出现210万个职位空缺，而机器人维护和编程将成为最紧缺的技能之一。.

人形机器人正在改变工作岗位，而不是简单地取代它们。它们通常承担危险、重复和体力消耗大的任务，使人类工人能够从事更高价值的工作，例如机器人编程、维护、流程优化和质量控制。.

由此会产生哪些伦理问题？

需要考虑哪些社会和伦理因素？一个关键问题是，社会最终希望“允许”技术做什么，以及希望为其建立怎样的框架。人形机器人的融入需要认真考虑就业保障和员工接受度。.

在私人家庭和养老护理中使用人形机器人尤其敏感。出于安全考虑，人形机器人只有在研发的最后阶段才能进入这些领域。一位专家表示：“除非能够证明人形机器人永远不会摔倒在婴儿身上，否则它不会在家中使用。”.

生产能力发展情况如何？

人形机器人何时才能大规模量产？一些制造商已经在敲定量产计划。Figure公司宣布计划建立一座机器人制造工厂，该工厂将生产人形机器人，用于生产其他类型的人形机器人。量产初期，该工厂的年产能将达到12000台机器人。.

Apptronik已与总部位于佛罗里达州的代工制造商捷普（Jabil）达成合作，后者将负责在全球范围内生产Apollo机器人。特斯拉制定了雄心勃勃的生产目标：内部计划到2024年生产约1万台Optimus机器人，随后在2025年推出第二代产品，产能为每月1万台。.

什么决定成功或失败？

哪些因素将决定人形机器人能否被广泛应用？成功取决于克服几个关键挑战。技术方面，需要在稳健性、适应性、电源供应、运动技能和人工智能等方面取得进步。经济方面，成本必须持续下降，产量必须不断提高才能实现规模经济。.

监管方面，例如安全标准和法律框架，至关重要。必须促进社会对新技术的接受。大部分研发工作都在科技公司内部进行，需要巨额投资，远远超过公共资金。这导致缺乏透明度，也使得对实际进展进行客观评估变得困难。.

人形机器人与传统工业机器人有何不同？

人形机器人与传统自动化解决方案在结构上有何不同？传统工业机器人针对特定任务进行了优化，关节数量也少得多，因此更容易控制、速度更快、可靠性更高。因此，它们仍将是需要高速和高精度生产任务自动化的中坚力量。.

另一方面，人形机器人是通用型机器人。它们的优势不在于速度或执行特定任务的精确度，而在于其多功能性和适应性。理论上，它们可以执行人类能够完成的任何任务，尽管速度可能较慢或精确度稍逊。这种灵活性使它们在需求频繁变化的动态环境中尤为宝贵。.

还有哪些技术突破尚待实现？

哪些创新有望带来最终突破？与传统的锂离子电池相比，固态电池有望提供更高的能量密度、更佳的安全性和更长的使用寿命。这项技术可以解决能量密度问题，并延长人形机器人的运行时间。.

在执行器技术领域，诸如阿基米德驱动等新型连接概念正在研发中，有望在紧凑的设计中实现高扭矩，并保持静音运行。材料科学的进步则有望实现更轻更强的部件。.

乐观的预测有多现实？

万亿美元的预测是现实的还是夸大其词？专家们意见不一。一方面，技术演示之外的技术挑战依然巨大。另一方面，在巨额私人投资和科技巨头之间竞争的推动下，科技发展正呈指数级加速。.

预计未来五到十年内，人形机器人还无法在工业领域得到广泛应用。提高产量是降低成本的必要条件。人形机器人的引入进程可能在2030年代中期之前较为缓慢，但在2030年代末和2040年代将会加速。.

这对未来的工作意味着什么？

人机交互将如何发展？未来不在于用机器人取代人类工人，而在于智能协作。人形机器人将增强人类的能力，而非取代它们。它们将承担体力劳动强度大、重复性高或危险性高的任务，使人类能够专注于创造性、战略性和人际交往活动。.

这一发展需要对再培训和继续教育进行大量投资。采用人形机器人的公司报告称，员工培训支出平均增长了35%。新的职位正在涌现：机器人培训师和主管、维护专家、流程设计师以及创新问题解决者。.

人形机器人正处于一个转折点。尽管技术基础已经奠定，初步的商业应用也展现了其潜力，但仍存在诸多挑战。能否成功取决于该行业能否在技术创新、经济可行性、监管确定性和社会接受度之间取得平衡。未来五到十年对于决定人形机器人究竟是会真正取代人类，还是暂时仍是一种小众技术至关重要。.

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