《趣味工程》:人形机器人从实验室正走向内部物流
转载 2025-09-12 10:36 Kaif Shaikh 来源:《interestingengineering》机器人正在缓慢但稳步地到来。以下是它们距离我们人类的距离。( Agility机器人)
几十年来,人形机器人一直存在于科幻小说和高科技实验室中。如今,这种情况正在改变。世界各地的工程师和公司正在打造能够行走、抓握和协作的人形机器人,它们即将出现在工厂和仓库中,并有可能走进日常生活。
拥有156万名员工的美国第二大雇主亚马逊,已经制造了其第一百万个机器人,并正在试用类人机器人进行送货。其前景显而易见:减轻繁重的工作和高风险任务,让人类可以专注于更安全、更具创造性的工作。但担忧也同样明显。大规模雇主的集中自动化可能导致大规模失业,尤其是在依赖亚马逊和沃尔玛等公司的社区。这个问题不再是假设性的。类人机器人距离取代人类工作还有多远?如果它们真的取代了人类,会发生什么?
新参与者的涌现和更大胆的承诺
真人大小的机器人已经从阶段演示走向试点项目。短短几年间,特斯拉于2021年发布的擎天柱(Optimus)如今已成为特斯拉工厂测试的行走原型机。埃隆·马斯克预测未来可能会生产数千台这样的机器人,这表明一些公司如今已将机器人视为劳动力的重视程度。
Figure 是一家成立于 2022 年的初创公司,筹集了大量资金,并迅速生产出用于物流和制造的原型。其早期试点项目包括将一个类人机器人部署到汽车工厂,用于取放和搬运零件,这暗示着其有望应用于日常工业任务。
势头不仅限于美国。在中国,宇树机器人公司(Unitree Robotics)推出了H1和尺寸较小的G1,旨在在成本上实现差异化。据报道,G1的售价在1.5万至2万美元之间,仅为西方典型价格的一小部分,旨在让机器人工作者更容易获得。日本和韩国长期以来一直在研发用于服务和养老的类人机器人,而老牌工业机器人制造商多年来一直在探索人类辅助系统。
波士顿动力公司(Boston Dynamics)的Atlas机器人曾以特技表演惊艳观众,如今已转向实用性。其2024年发布的全电动Atlas机器人正在模拟建筑工地进行搬运箱子等作业测试。其设计理念显而易见。表演技巧正在让位于实际操作。
人形机器人的内部结构:机械“肌肉”和感官
人形机器人是一个类似人体的外壳,内部装满了马达、传感器和计算机。人类拥有肌肉和肌腱,而机器人则拥有执行器——每个关节处都装有紧凑的电力驱动器,能够提供扭矩和精确的控制。设计优秀的执行器需要权衡利弊:它们必须足够坚固以承受重载,足够精确以完成精细的动作,并且足够高效以避免耗尽电池。每一次迈步、伸展、扭转和抓握,都是这些“机械肌肉”协调一致的交响乐。
传感器套件负责处理感知。摄像头提供立体视觉,使机器人能够判断距离并进行导航。一些系统会添加深度传感器或激光雷达来构建 3D 地图,这对于避障和爬楼梯非常有用。
惯性传感器、陀螺仪和加速度计就像内耳一样,帮助机器人保持平衡和方向。麦克风可以支持基本的语音交互。先进的设计在手和手指上添加了触觉传感器,使机器人能够估算抓握力,避免掉落或挤压物体。所有这些数据都会被输入到机载计算机中进行快速处理和控制。
“大脑”:控制算法与机器学习的结合
人形机器人的大脑是由计算机运行的控制软件和人工智能组成的堆栈。经典的控制算法通过调节脚部位置、重心转移和关节扭矩来保持机器的平衡和稳定,防止其倾倒。计算机视觉模型将像素转化为可用信息,例如检测门、定位箱子和识别工具。然后,运动规划器将目标转化为可行的轨迹。
训练越来越多地在模拟环境中进行。机器人在虚拟环境中“练习”行走、抓取和任务序列数百万次,然后将这些技能迁移到现实世界。机器学习还可以改进决策:工程师可以定义目标,而不是对每个动作进行硬编码,并通过反复试验来发现有效的行为。
如今的类人机器人还远未达到人类的智能水平,但在结构化空间、已知的工厂过道、重复的拾取和放置过程中,它们可以以令人惊讶的自主性运作。
电力是瓶颈
几乎所有现代人形机器人都依靠存放在躯干或背包中的电池供电。运动、平衡和操控都需要耗能,因此续航时间有限,通常每次充电只能支持几个小时的主动工作。重量也让这变得更加困难。更大的电池会增加机器人的重量,而重量又会消耗更多的能量来移动。
工程师们则采用更轻的材料、更高效的执行器以及避免浪费的运动策略。一些系统会适时充电。Agility Robotics 的 Digit 可以在电量不足时自行停靠,Jubetek 的 Walker S2 可以自行更换电池,从而减少停机时间。即便如此,与可以连续工作一整天、中间休息的人类相比,如今的人形机器人需要频繁充电或更换电池才能跟上节奏。
与人类正面交锋:力量、速度和适应性
凭借原始力量,机器人可以设计成处理重型或危险任务,而不会造成受伤风险。然而,目前的通用类人机器人往往以中等负载为目标,类似于普通人,因为更高的有效载荷会使平衡和执行器尺寸的确定变得复杂。
论速度和效率,人类在混乱多变的环境中仍然胜出。工人从货架上挑选混杂的商品并打包箱子时,需要不断适应各种变化、角度、纹理和遮挡,同时快速安全地移动。双足机器人必须谨慎地迈出每一步,精准地抓住物品;它的移动往往更加谨慎。而且从能源角度来看,双足行走成本高昂。轮式系统、传送带或专用机器人单元通常比试图模仿人类步伐的腿式机器人更高效地运输货物。
适应性是人类的强项。我们天生就是多面手。给人类展示一个新工具,他们通常都能搞定。在任务中要求稍作调整,他们也能即兴发挥。相比之下,类人机器人则是狭隘的专家。它们在已训练的例程中表现出色,但在执行新任务时却显得迟钝。精细运动技能,需要通过感觉来调动所有部件,对于机器人手来说仍然极具挑战性。
机器人的一个潜在优势是软件复制:一旦团队将一项新技能传授给一个单元,原则上就可以在整个团队中复制。如果“大脑”得到改进,其规模效应几乎是免费的。但就目前而言,人类在灵活解决问题方面仍然远远优于人类。
隐性成本:支持、维护和工作场所适应
部署人形机器人不仅仅是拆箱。它需要定期软件更新、预防性维护、备件以及充电或更换电池的基础设施。工作场地可能需要进行调整、清晰的导航标记和可靠的无线连接,以便机器人能够持续感知和规划。人类拥有终生的现实世界学习经验,除了食物、水和休息之外,不需要任何其他特殊的东西。在计算总成本和复杂性时,这种不对称性至关重要。
人形机器人的首要应用领域
考虑到他们的限制,最合理的近期角色是在结构化空间中执行简单、重复或危险的任务,移动手提箱、分阶段处理零件以及监控日常操作,在这些情况下,他们的较慢速度或有限的灵活性不会成为整个生产线的瓶颈。
在许多情况下,非人形自动化将继续变得更加实用。例如,用于高速焊接的固定机械臂、用于内部配送的轮式快递车,以及用于散装物料运输的传送带。然而,人形机器人拥有独特的优势。无需进行大规模的重新设计,它就能在专为人类设计的环境中运行,例如楼梯、门口和工具布局。正因如此,尽管双足机器人效率低下,企业仍持续投资于此类平台。
工作、社区和“近乎人类”的伦理
对失业的担忧是真实存在的,尤其是在少数大型雇主支撑着当地经济的情况下。自动化可能会淘汰一些岗位,并在机器人维护、软件和车队运营等领域创造新的岗位。各大公司都在大力宣传技能提升;例如,亚马逊就指出,他们已经培训了数十万名员工,但结果却各不相同。其影响可能不均衡,不同地区和不同岗位的收益和负担也会有所不同。
这其中也涉及心理层面。随着机器的外观和行为越来越人性化,人们可能会本能地对它们产生共鸣。它们仅仅是设备,还是我们更像同事一样对待的东西?这种模糊性并不会改变它们的法律地位,但它会影响我们与它们共享空间的舒适度,并定义工作中的尊严和陪伴。引入人形机器人不仅仅是一个工程决策;它还会触及我们对“工作”和“人类”的理解。
那么,他们会抢走我们的工作吗?
人形机器人已经承担了一些任务,并将承担更多任务。这种转变不太可能是突然的交接。相反,预计会经历一段长期的并肩协作时期,机器人首先会承担枯燥、肮脏和危险的工作,然后随着其力量、灵活性、电池寿命和“大脑”的提升而不断扩展。短期内,大多数工作仍然比新闻报道的要安全,除非这些工作是高度重复且受到严格控制的。