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人形机器人的崛起:从古老梦想到眼前现实


如果ChatGPT给人们带来了文案和代码危机,那么人形机器人的普及或将颠覆劳动力市场。机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。
人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。
于是人们学起了女娲,开始了“造机器人”之路。




01
人形机器人的诞生

人形机器人,顾名思义,其设计灵感来源于人,来自人类的感知和运动技能,以及人类在环境中使用工具的能力,集仿生学原理和机器电控原理于一体,通过模仿人体结构、运动特性等,设计出具有优越性能的机电结构。

公元前4世纪,古希腊科学家亚里士多德提出了“机器人”的设想。
500多年前,意大利画家、科学家达·芬奇绘制了西方文明世界的第一款人形机器人,它以风能和水力为驱动力,机器人可以挥舞胳膊,可以坐或者站立。
19世纪时,瑞士的钟表匠发明了会写字的机器人。
1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“ Televox”,装有无线电发报机,但该机器人不能走。
1928年, W. H. Richards发明出第一个人形机器人,内置了马达装置,能够进行远程控制及声频控制。
同样在1928年,日本生物学家Makoto Nishimura研发出了本土的第一个机器人Gakutensoku。
……
此后经过近百年的迭代,更多人形机器人问世了。


放眼近百年的发展,现代型机器人的研究发展从20世纪中叶开始。当时由于计算机技术的突破性进展及原子能的开发需求,能够投入生产的工业机器人应运而生。
第一个阶段是1969-1995年,此时机器人运动是一个缓慢静态行走的过程,以早稻田大学的人形机器人WABOT为代表;
第二个阶段是1996-2015年,此时是连续动态行走,更多考虑到了机器人的质心惯量以及质心的加速度等因素,代表是日本本田的人形机器人ASIMO;
第三个阶段是2016年至2020年,追求的是高动态的运动性能,以波士顿动力的Atlas机器人做出的令人惊叹的运动动作为标志;
第四个阶段是2021年至今,随着相关技术的发展与成熟,人形机器人开始进入商业化落地的初级阶段,以亚马逊的Digit和优必选科技Walker为代表,未来可能还会包括特斯拉的Optimus。


02
具身智能是AI的终极形态

如果2023年的ChatGPT让企业解决了文案和编程的问题,那么2024年的人形机器人将有可能为企业解决劳动力短缺问题。
具身智能(Embodied AI)为人工智能的终极形态。2023 年以来,ChatGPT 的问世被誉为人工智能的奇点时刻。在 AI 浪潮下,机器人人机交互的能力得到大幅提升。通过引入多模态输入,可以增强模型对于现实对象的理解, 从而帮助其更好地处理具身推理任务。
其中,微软团队于 2023年 2月发布《Chat GPT for Robotics: Design Principles and Model Abilities》, 研究人员展示了多个 ChatGPT 解决机器人难题的案例。持续迭代的大模型将进一步提升人机交互能力,从而加速人形机器人的落地。
大模型的出现让具身智能拥有了顶级的智慧大脑。英伟达CEO指出,人工智能的下一个浪潮是具身智能。具身智能指的就是能够感知并理解周边环境,通过自主学习完成任务的智能体。目前快速发展的自然语言大模型将会对“具身 AI”的研发有极大的推动作用, 进而催化人形机器人应用落地。
人形机器人为搭载 AI 的绝佳载体。AI 赋能集中在交互模块。在硬件端,人形机器人搭载 AI 能够丰富 AI 的表达方式。根据恐怖谷假说,中等偏上程度的仿真是最受欢迎的(即 70%-90%的相似度)。因此,具有适度仿真的人形机器人拥有丰富的表情和实体动作,将更受人们欢迎。


03
有望开启千亿美元蓝海市场

相比于传统机器人,人形机器人的核心突破在于人机交互,即能够听懂人的语言指令并进行分析推断以及决策执行。同时,人形机器人外形与人类相似,更容易在心理上为人所接受,除了让人的生活方式变得更加便捷化和智能化之外,还能提供更加人性化的服务。
人形机器人的出现,或可缓解因人口老龄化导致的劳动力缺乏等问题。据国家卫健委测算,预计“十四五”时期,我国 60 岁及以上老年人口总量将突破 3 亿,占比将超过 20%,进入中度老龄化阶段,适龄劳动人口的数量也在不断下降。同时伴随着制造业工人工资不断提高,各企业用人成本大大增加,出于提效降费需求,机器人代工将成为长期稳定趋势。
因用人成本的提高,“机器换人” 的经济性变得越来越明显。虽然受到疫情及原材料涨价影响,机器人零部件产品价格有所提高,但长期来看,随着科技的进步和工业机器人技术的普及,未来工业机器人的价格会呈不断下降趋势。美国纽约资产管理公司方舟投资(ARK Invest)预测,工业机器人成本到 2025 年将下降 50%-60%。
对于企业来说,同样的效益下,机器人投资回本的年限逐年缩短。从 2019 年至 2021 年,机器人费用摊销与人工成本进一步拉大,制造业人员平均小时工资则从 32 元左右提高到 38 元左右,而工业机器人小时成本费用从约 19 元降低至约 11 元。机器代人降本效果十分显著。
人形机器人的通用性打开其应用场景,远期市场空间广阔。
马斯克认为,人形机器人将会是今后特斯拉主要的长期价值来源。如果人形机器人和人的比例在2比1左右,那么人们对机器人的需求量可能是100亿至200亿个,远超电动车的数量。
根据优必选招股书,预期2026年全球人形机器人解决方案市场规模将达到80亿美元,占全球智能服务机器人解决方案市场规模的11.8%。
根据艾瑞咨询,2022年中国智能机器人市场规模为76亿元,预计2027年市场规模将达到536亿元,2022—2027年CAGR有望达到47.9%。
人形机器人有望成为千亿美元级蓝海市场。随着人形机器人功能迈向多样化和普适化,产业分工日趋成熟,成本持续下探,人形机器人有望先在工商业普及,逐步拓展至家用、公共领域。根据测算分析,预计在中性假设下,2035年全球人形机器人制造和家庭服务市场规模为1103亿美元,2025—2035年CAGR为68.6%。


参考电动车渗透率,看未来人形机器人渗透率走势 来源:Wind



04
已问世人形机器人聚焦科研领域

群雄并起,逐鹿人形机器人。日韩在人形机器人领域布局早,研究表现活跃;美国在人形机器人领域后来居上。波士顿动力研发的代表产品Atlas身高1.8m,体重80kg,具有28个关节,可完成原地起跳转身一周等流畅、高难度的“跑酷”动作,但主要聚焦在科研领域,商业价值低。在产业领域,深圳优必选推出的“Walker”机器人能完成上、下台阶等动作。





05
我国政策支持加速产业发展


作为机器人“皇冠上的明珠”,人形机器人产业发展对促进经济高质量发展、创造美好生活具有重大意义。国家发改委、工信部等多个部门于2018年至2023年期间,发布多个人形机器人相关的政策性文件,推动人形机器人产业向高端化、智能化方向发展。




06
对技术和产业要求较高

机器人三大核心模块为感知、认知交互、运动控制。感知功能主要由各类传感器和摄像头实现,相当于人的眼、鼻、耳、皮肤等;交互模块通过机器深度学习算法实现,相当于人的大脑;运动控制模块主要包括包括舵机、电机、芯片,服务机器人的运动控制 主要涉及定位导航和运动协调控制。
机器人对传感器的三大要求:强抗干扰性、高精度、高可靠性。强抗干扰帮助机器人面对恶劣环境,高精度帮助有效完成高质量 作业,高可靠性保证不发生重大故障。据Global Market Insights预测,2026年全球机器人传感器市场价值超过40亿美元。


图片来源:Yole

在算法方面,机器人主要包含感知和控制算法。感知算法:将摄像头、雷达等传感器中的数据转换为对决策置顶和规划形体等动作,包含环境感知、视觉、物体检 测、路径规划等。控制算法:一般分为决策算法、运动控制算法,通过智能大脑反馈行动,进行自助式移动、交流、语言理解等。
具体到产业环节,人形机器人产业链主要分为上中下游三部分。上游为人形机器人本体结构、伺服驱动器、智能感知、驱动控制、支撑环境五个模块的供应商;中游则是人形机器人产品集成商;下游为人形机器人可能的应用场景,如商业服务、科学研究、科学展示等。


人形机器人从 1969 年发展至今,产业发生了如下变化:一是主导国家从日本变为美国、中国。早期,人形机器人由本田等日本企业主导,现今包括波士顿动力、Agility Robotics、特斯拉、优必选科技、小米等全球范围内的企业均已推出人形机器人产品,并且在持续迭代研发;二是研发目的从科学展示与教育培训变为多场景作业,企业积极探索人形机器人商业化落地。
通过将自动驾驶技术迁移,有望推动人形机器人发展。Optimus 搭载特斯拉自研芯片,配备与特斯拉车辆相同的自动驾驶软件, 软件系统经过重新设计以适应机器人操作环境。伴随着自动驾驶数据积累、技术进步,有望同时带动人形机器人成熟。


07
未来规模普及或困于成本过高

虽然潜力巨大,但是人形机器人的普及要比ChatGPT的普及难得多。
据人民网研究院2023年11月发布的《人形机器人技术专利分析报告》显示,目前人形机器人产品商业化发展受制于以下几个方面:
(1)伺服驱动器是人形机器人实现运动的核心部件,但技术应用门槛高,只有同时具备体积小、重量轻、大扭矩、高精度等性能,才能保证人形机器人在不断变化的环境中安全、顺畅地工作;
(2)人形机器人产品技术难度大且集合度高,人形机器人是机械设计、运动控制、人工智能等领域高精尖技术的综合体现,人形机器人是将前沿科技与工程技术、核心算法等高度集合的产品,而当前市面上的企业缺少将大量高难度技术规模化的能力,无法形成有效的人形机器人集合系统;
(3)人形机器人难以与多个应用场景共振,无法适应多场景的不同需求。人形机器人想要在各领域中落地都需投入大量研发时间和成本,企业研发出的人形机器人无法与多个场景匹配;
(4)人形机器人的生产成本高,人形机器人需要多个部件、高性能硬件等做支撑,如相较于工业机器人只需要使用六到七个关节,人形机器人需使用几十个关节以满足人形机器人灵活行走的要求,因此人形机器人生产成本高昂。
对比现有机器人价格,阻碍渗透率提升的因素在于成本过高。ASIMO 机器人一台造价在 300-400 万美金之间, 且只租不卖,而租用 ASIMO一天需花费约 200 万日元(约合 12 万人民 币);波士顿动力的 Atlas 则算不上商业化产品,仅有 MIT 和港中文等高校有公布拿到了 Atlas 产品;波士顿动力旗下四足机器人在美国售价为 7.45 万美元,而一般仿人机器人比四足机器人的复杂度要高得多。
因此, 要想让人形机器人负担得起并实现商业化落地,单位成本必须大幅下降。
马斯克表示,未来目标是将人形机器人的成本降至 2-3 万美元(约合 14-21 万元)。据优必选招股书显示,根据量产规模不同,人形机器人降本进程大致分为 3 个阶段:千台小批量生产,降本20%-30%至约10万美元;万台量产级别,降本50%至 5 万美元;百万台大规模量产,降本70%-80%至 2-3 万美元。


08
思考:未来人将如何与机器人共处

说到未来,不得不提人们对机器人大规模发展的担忧。那就是人如何与AI共处,人形机器人的出现,会不会带来大规模的失业等情况,以及一旦机器人进入家庭,定位又是怎样的,机器人的处理问题方式会不会违背人类的意愿。

这个问题在科幻小说界早有思考。1942年,美国著名科幻小说家、文学评论家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在作品《我,机器人》中提出了“机器人学三定律”,该理论被称为“现代机器人学的基石”。
第一法则:机器人不得伤害人类,或坐视人类受到伤害;
第二法则:除非违背第一法则,机器人必须服从人类的命令;
第三法则:在不违背第一及第二法则下,机器人必须保护自己。
因此未来的机器人发展需要可控的智能,不然科幻片中的场景也有可能变为现实。


END


作者:程琳琳 包建羽
责编/版式:王禹蓉
审校:王 涛 梅雅鑫
监制:刘启诚




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