人形机器人：“通吃”工业、商业和家用场景？
在2021年特斯拉的首个AI Day活动上，马斯克（Elon Musk）首次公开他关于人形机器人（Humanoid Robort）Tesla Bot的构想时，很多人也许认为这只是个玩笑——他让一位舞者扮成机器人在台上跳舞，并表示这将是2022年特斯拉最重要的产品。
一年后的第二个特斯拉AI Day，特斯拉的双足类人机器人 Optimus（擎天柱）的原型机正式登场。 “擎天柱”首度自主登台向人群挥手，特斯拉还现场展示了其搬运箱子、为植物浇水在汽车工厂中移动金属棒的视频。
图源：特斯拉官网
马斯克强调，擎天柱是第一个没有外部稳定辅助、没有遥控、没有外带电源，完全靠AI算法、自身电池电控，以及高集成的电驱执行器驱动的人形机器人。
这些年来，“工程师”马斯克种草了很多“技术单品”——从电动汽车、自动驾驶到脑机接口，从地球到火星……而过去一两年来，他则力推人形机器人。马斯克想让人形机器人在汽车生产线上工作。
作为当前全球自动化程度最高的行业，汽车工厂内的自动化进程早在半个世纪前就开始了，而特斯拉的汽车生产线是目前全世界最先进、自动化程度最高的。不过一直以来，汽车的生产车间里，往往都是一个个庞大笨重的大型工业机器人，并且为了保障安全，这些机器人与人类员工相互隔离。至今尚无人形机器人应用在汽车工厂里。
目前人类正处在一个由信息时代向人工智能时代进阶的过渡期，如果说智能手机的消费普及加速了信息时代的黄金发展，那么下一个引领人类从信息时代进阶到智能时代的科技硬件赛道或者现象级别大品类将会是什么？
人形机器人会是其中之一吗？
“擎天柱”背后的AI黑科技
特斯拉团队表示，擎天柱的设计基于人体，希望其行为方式和人的行为尽可能接近。
根据公布的参数，“擎天柱”身高172CM，体重57公斤，行动速度最高可达5.8英里每小时（约合9.33公里/小时），最多可提45磅重（约合20.41Kg）的物品。马斯克称这是他们 2022 年最重要的产品开发项目，甚至可能比汽车业务更重要。而按照马斯克的说法，具备智能驾驶功能的汽车正像是一种“有轮子的半智能机器人”。
据介绍，特斯拉最先进的 AI 技术运用其中，擎天柱的头部配备了与特斯拉汽车相同的智能驾驶摄像头，算力支持由其FSD（Full Self-driving，自动驾驶）芯片提供，与汽车共用 AI 系统，利用Dojo超级计算机的训练机制去提升机器人的功能。
Dojo图源：特斯拉官网
特斯拉在AI日上表示，计划2023年之前在美国加州的PaloAlto建造第一台Dojo ExaPod——利用特斯拉自研计算芯片D1打造的超级计算机集群。据介绍，Dojo由D1芯片集成，25块D1集成为一个计算模块。一个计算模块，相当于6个通用GPU的性能，而成本和能耗仅相当于1个GPU。据此前公开报道，D1芯片由台积电代工，采用7nm工艺，拥有500亿个晶体管。特斯拉称，Dojo ExaPod预计将成为世界上最强大的超级计算机之一，将大幅提升计算效率，可望将花费数月的工作缩减至一周。
此外，还有一些汽车的技术也运用到了擎天柱上，例如电池组、冷却系统等，还使用与汽车测试类似的技术来进行擎天柱的运动和对外部碰撞的模拟。
特斯拉还展示了“擎天柱”人形机器人研发过程的不同版本，包括准备投产的擎天柱机器人版本——包含一个2.3千瓦时的电池组，在特斯拉SoC上运行并支持Wi-Fi和LTE连接。马斯克表示，他们的目标是“尽快制造出对人类有用的人形机器人”，工程师正在努力降低擎天柱机器人的功耗和零件数量。马斯克还透露，擎天柱未来的产量可以达到数百万台，预计价格不到2万美元（约合人民币14.23万元），比汽车便宜。
入局人形机器人背后：曾深陷“自动化陷阱”
马斯克萌生入局人形机器人领域的念头或许要追溯到2018年。当时特斯拉的新款电动车Model 3销售火爆，但是特斯拉工厂却因为过度自动化而深陷“产能地狱”。
众所周知，生产一辆汽车，需要经过冲压、焊接、喷漆、总装以及质检等一系列环节。其中，整个汽车行在前三个环节的自动化程度都较高，而在总装和质检环节，传统汽车厂商一般采取人工操作。马斯克则想在后面两个环节也用机器人替代人工，他希望打造一座全线自动化的工厂。但实际情况却事与愿违，在总装和质检环节，相比人工的灵活性，机器的执行性和准确性很难把控，就连最简单的拧紧螺丝动作，机器人的工作效率也远低于人类。
马斯克2018年在接受CBS的一次采访中承认，“特斯拉过度自动化是个错误，人类被低估了。”他举了个例子，他们试图用一种“绒毛机器人”来将绒毛材质的玻璃纤维垫放到Model 3电池组顶部进行粘合。这对于普通人来说操作起来不在话下，但机器总是问题百出，或是没能拾起垫子，或是把垫子放错位置，导致这条生产线常常崩溃。
也许，正是从那个时候，马斯克萌生了要让机器人像人类一样完成特定任务的想法。而要实现这一目标，在他看来，自然是通过人工智能（AI）技术。据悉，特斯拉得克萨斯州工厂甚至已经制定雄心勃勃的计划，准备在工厂中部署数千台“擎天柱”人形机器人。该公司还计划最终将机器人部署到全球各地的特斯拉工厂，规模将达数百万台。
如今，汽车行业不仅涉及重复、快速、大批量的生产，汽车消费者转而期望定制化产品。对于已经高度自动化的汽车生产工厂来说，如何进一步提升的智能化水平的方向，或许就是一条更灵活、更柔性的生产线。那么人形机器人未来或许有望在工厂里大展身手，成为智能制造应用中的重要一环。
而在全球自动化程度最高的汽车生产线上，巨大的重型工业机器人往往是车间内的主角，至今为止，尚未有人形机器人在汽车生产线上工作的案例。而在复杂的离散型场景中，人们需要机器人替代人工完成更精确、更繁琐的重复性劳动，安全的人机协作成为必然趋势。
从工业3.0的全面自动化，工业4.0的智能制造，再到未来的工业5.0时代，重新引入人性化元素将是未来生产车间革命的重要方向之一。这基于一个重要的认知转变——机器人和人类必须作为合作者而不是竞争对手。一个显性的标志将是，工厂里不再只是被固定在安全围栏内的巨大笨重的机器人，而是有更多可以灵活自主活动的智能机器人穿梭在生产线上。
机器人“成长”史
人类一直梦想着由机器人来代替完成那些枯燥、琐碎以及危险的工作，把人力从繁重的劳动中解放出来。
根据美国机器人协会的定义，机器人是一种可编程和多功能的操作机，或是为了执行不同任务而具可编程动作的专门系统。按照我国2021年6月1日实施的《机器人分类》，机器人可被分为工业机器人、服务机器人两大类，工业机器人主要应用于工业环境用于制造目的，而服务机器人更重视与人类的交互。其中，人形机器人是服务机器人的最高级形态，可被广泛应用于生活生产的众多场景。
人形机器人发展历史可以追溯到15 世纪末达·芬奇所绘制的一份古老“类人机器人设计草图”——一个靠风能和水力驱动的“机器武士”——这或许是人类幻想研制“人形机器人”的起点。
但人形机器人的产业化之路异常漫长。 1927 年，美国西屋公司制造出了世界上第一台人形机器人“Televox”，它虽不能走动，但能够抬起接收器以接听电话，并根据接收到的信号通过操作开关来控制简单的流程，还能回答一些问题。随后西屋公司在 1937 年又在此基础上制造出“摩托人 Elektro”——被认为是真正的第一个类人机器人。Elektro 身高 210 厘米，体重超过 120 公斤，能够执行 26 种不同的日常活动，包括醒来、交谈、计数和吸烟。
而人形机器人真正实现技术和应用上的飞跃，还是在进入21世纪以后，随着人工智能、传感器等技术的进一步突破，机器人产业的发展也进入智能化研发的加速期，涌现了一批颇具代表性的智能化人形机器人产品，比如日本本田公司推出的能够跳跃的人形机器人 ASIMO ，软银的儿童教学的机器人 Nao以及陪伴型机器人Pepper，英国Engineered Arts的Ameca，以及波士顿动力主打探索运动控制的人形机器人Atlas等一系列代表性产品。但在大规模的产业应用层面，至今尚无特别好的落地案例。
相比之下，第一台工业机器人虽然在上世纪50年代才出现，但产业化进程则相对快得多。1959年，美国发明家乔治·德沃尔（George Devol）和物理学家约瑟·英格柏格（Joe Engelberger）创造了世界上第一个工业机器人，命名为Unimate（尤尼梅特），意为“万能自动”。这个重达2吨，由磁鼓上的一个程序来控制机器人，由液压装置驱动，精确率达1/10000英寸。1961 年，Unimate 被安装在通用电机装配线上，其成为当今仍在装配线中使用的许多工业机器人的基础。
但是作为人类机器人梦的终极目标，以及未来有望成为人工智能领域的终极形态，各大科技公司对于这种模仿人的形态和行为而设计制造的机器人的研究和实践一直没有停止。
产业化拐点：人形机器人有望“通吃”工业、商用、家用场景
全球综合数据资料库Statista的数据显示，全球2019-2021年机器人销量分别为329亿美元、363亿美元、410亿美元，目前仍处于较初期发展阶段，未来空间较大。根据麦肯锡全球研究院发布报告，预计到2030年，全球将有15%的劳动力将被机器人替代。
数据来源：Statista、东吴证券
具体到人形机器人领域，咨询公司SkyQuest Technology Consulting统计显示，2021年，全球人形机器人市场价值为14.8亿美元，预计到2028年，其市场估值将达到173.2亿美元，2022年到2028年之间的复合年增长率将达到42.1%。
基于这一市场趋势，对于智能机器人的研发近年来也进入更多科技公司的视野，机器人俨然成为众多科技公司展现自己综合研发实力最佳选择。
就在特斯拉发布“擎天柱”之前，小米在8月11日的小米秋季新品发布会上抢先发布了其首款全尺寸人形仿生机器人——“CyberOne”，也一度让人形机器人成为国内A股市场的热门概念。
机器人Cyboron取名“铁大”，身高177厘米，体重52公斤，可对真实世界三维虛拟重建，这其中嵌入了小米自研的Mi-Sense深度视觉模组，结合AI算法可以提供完整的三维空间感知能力，让机器人看得到也看得懂）。此外，铁大的“小脑”发达、可实现双足运动姿态平衡，四肢强健、动力峰值扭矩300Nm等。在运动控制方面，铁大支持多达21个自由度，并能实现各自由度0.5毫秒级别的实时响应，模拟人的各项动作，机身内置了多个电机，还有更多的机身自由度、复杂的人形双足控制算法，这些都是小米自研。
事实上，国内产业界在人形机器人的研发上，近年来也有了不小的突破。比如，国内机器人厂商优必选、北京钢铁侠科技等公司均已经推出了各自的仿人机器人产品。2021 年优必选发布了中国首款可商业化的大型双足仿人型服务机器人Walker X，身高130cm，体重 63kg，拥有 41个高性能伺服驱动关节，面部 160° 环绕 4.6K 高清双柔性曲面屏，四维灯语体系，具备模块化设计，便捷可拆卸电池，应用场景包括科技展馆、影视综艺、商演活动、政企展厅等。同年 3 月，北京钢铁侠科技中标国家机器人宇航员项目——北京控制工程研究所空间仿人智能操控系统，将双 足大仿人机器人的应用场景拓展到航天领域，开创了空间机器人这一新品类，其核心产品ARTROBOT系列仿人机器人自由度达到 36 个，可以完成行走、舞蹈、倒水等多种任务，已经拥有了高度仿人化的特征，应用场景包括科研教学、智能服务、体育竞技、养 老、救援、娱乐陪伴和航空航天等领域。
大致归纳目前各大公司对于人形机器人的产品定位，主要有三种发展方向：一种是“超越人”，以波士顿动力为代表，专注提升机器人的运动性能；一种是“替代人”，以特斯拉为代表，要让机器人进入造车工厂补充劳动力；一种是“服务人”，要围绕人的生活和工作，依托人形更好的研究人感知、认知、决策、执行过程从而更好服务于人，这是小米的Cyber One选择的方向。
而产业化落地的关键还是要看应用的广度和深度。对于人形机器人而言，如果将人类的行为分为四个状态，即居家生活、工作办公、交通出行、睡眠休息，那么一个好的商业模型应该尽可能多的覆盖人的四个状态，并且越充分了解四个状态中用户不同的需求，从而提供切中痛点的服务，那么这个商业模型的价值就越高。
那么在未来的机器人赛道上，哪种类型的机器人最有望成为下一个通用型产品？
中国电子学会发布的《中国机器人产业发展报告（2021）》指出，在模块化应用、离散型场景、复杂的干扰环境、多发的不可控因素等变量叠加影响下，对机器人的要求不再局限于本体的灵活性和自动化，易控、智能、互联成为产品的重要发展方向，技术创新也围绕着安全的人机协同、人工智能和物联网等重点方向展开。
这也意味着，由感知智能向认知智能迈进，是下一代机器人发展的方向，也就是说，只有拥有了感知、认知并执行的大脑能力，才真的称得上机器人。而大脑能力也是仿生人形机器人的技术制高点。这其中，人工智能技术是人形机器人获得实质性发展的重要引擎，深度学习、自然语言理解、知识图谱、VR、场景识别、情感识别与推理认知等方面的技术进步，是拓展机器人能力边界的持续动力。
也就说，或许对于未来更理想的机器人更高的要求是——能够“通吃”工业、商用以及家用领域的各个场景。
人工智能、大数据、5G、云计算等新一代信息技术的飞速发展，加速市场需求的扩展与变化，将深刻影响下一代机器人产品的发展方向。对此，波士顿咨询（BCG）就认为，在涉及机器智能、连接性和控制等方面，技术突破将扩大机器人的能力和应用范围，同时还能简化人机之间的交互。
从这个大方向来看，相比与传统的工业机器人以及普通的专业服务机器人，更高级别的人形机器人或最有希望“通关”。再加上特斯拉等头部企业带来的引领效应，将有望催生行业蓬勃发展，加速相关软硬件供应链的快速成熟。这又使得更多的实验室技术和创新应用能更快落地验证，最终形成行业发展的正向循环。
