曹 方 池浩湉（中国电子信息产业发展研究院）
摘 要：随着生成式人工智能的迅猛崛起，人形机器人作为人工智能与机器人技术交汇的产物，引发世界主要经济体的广泛关注。本文以2021—2024年中国、美国、德国、日本、韩国等世界主要经济体在人形机器人领域的相关发展战略与计划为切入点，系统梳理了各主要经济体在人形机器人领域的重点发展方向。研究发现，世界主要经济体将人形机器人发展融入人工智能、机器人、材料科学、先进制造等领域中，并围绕人形机器人的感知决策、控制系统、肢体关键等重点方向开展布局。基于上述研究，本文从打造产业创新生态、提升整机制造能力、加快多领域多场景应用三方面提出加快推动人形机器人产业发展的启示建议。
关键词：人工智能；人形机器人；发展战略
一、引言
生成式人工智能的爆发，进一步加速了“人工智能+机器人”的发展进程。人形机器人的发展历程可以概括为以下三个阶段：第一阶段是早期发展阶段（1972—1986年），以日本早稻田大学研发的人形机器人为主；第二阶段是系统高度集成发展阶段（1986—2010年），以本田、软银为代表的日本企业开始研发、推出人形机器人，该阶段的人形机器人应用场景较为简单，包括展览和娱乐；第三阶段是高动态运动发展阶段（2010年－至今），该阶段由美国企业主导人形机器人赛道，制造出了科技含量更高、可完成搜救、工厂配送等复杂任务的人形机器人。当前，全球人形机器人市场规模稳步扩大，根据国际投资银行高盛集团的最新预测数据，到2035年，全球人形机器人的出货量将达到140万台，市场规模将达到380亿美元，较之前的预测分别增长了4倍和6倍。人形机器人集机械工程、电子工程、计算机科学、人工智能、材料科学等学科为一体，在安全救援、医疗护理、教育陪伴、娱乐服务等领域应用广泛，因此加快人形机器人产业发展具有深远意义。
二、世界主要经济体人形机器人发展战略导向
当前，中国高度重视人形机器人产业发展，2023年10月，我国发布《人形机器人创新发展指导意见》，美国、德国、日本、韩国尚未发布人形机器人专项战略或计划，世界主要经济体人形机器人战略布局呈现出与机器人、人工智能、材料科学、先进制造等领域深度交融的特点。
（一）美国：高度重视机器人、人工智能、先进制造等领域研发
机器人方面，美国自2011年以来连续三次发布国家机器人计划（National Robotics Initiative, NRI），2016年美国在NRI 2.0中提出拓展协作机器人的概念，以基础科学、方法、技术和集成系统等为研究重点，加快实现通用协作机器人的愿景，旨在使机器人像汽车、计算机和手机一样成为日常用品。2021年美国发布NRI 3.0，重点关注机器人集成系统的研发，鼓励美国学术界、工业界、非营利组织和其他组织之间的合作，从而在基础科学和工程技术的开发、部署和使用之间建立更好的联系，推动机器人集成科学的发展。
人工智能方面，2023年美国发布第三版《国家人工智能研发战略计划》，该计划是对2016年、2019年版计划的更新，把开发功能更强大、更可靠的机器人作为重要组成部分之一，指出机器人能够充分利用包括感知、物理操作、导航等人工智能在内的大部分领域，并在增强或模仿人类智力方面具有较大潜力。此外，该计划还把机器人的机动性和操作性，尤其是机器人在崎岖和不确定地形上的移动以及机器人在复杂环境与人类安全、协作的互动作为重要研究领域之一。
先进制造方面，增材制造技术（3D打印）为解决人形机器人异形件加工难题提供了新的思路。2022年，美国发布《先进制造业国家战略》，该战略的第一个支柱是开发和实施先进的制造技术，并将开发创新材料和加工技术作为重点目标之一，认为增材制造是开发和应用先进制造材料和技术的关键，重点关注开发所有用户均可访问的增材制造工艺优化框架，以及将增材制造技术与智能制造平台相结合。
（二）德国：多学科多领域夯实人形机器人底层技术
人工智能方面，2023年德国发布《人工智能行动计划》，该计划确立了加快基础设施建设、促进应用和科研成果转化以及保障措施三个重点行动领域，提出加速人工智能转化为生产效能和经济的进程，进一步加强人工智能机器人前沿研究。
机器人方面，2023年德国发布《机器人研究行动计划》，该计划围绕科学研究、跨学科前沿研究成果融合、人才培养和应用推广四个领域行动设计了若干实施路径，通过把握机器人技术发展带来的重大机遇，巩固加强德国机器人的创新地位。该计划旨在落实《未来研究与创新战略》和《人工智能行动计划》中的相关内容，具体资助项目包括基于人工智能的机器人算法和创新传感器，减轻护理人员负担的服务机器人和救援机器人等。
材料科学方面，2023年德国发布《轻量化战略》，该战略采用整体化、跨行业和跨材料的方法，通过先进的制造工艺、创新的设计方法和有针对性的材料选择，实现材料节约和重量优化，相关材料包括金属、碳和玻璃纤维、塑料和生物原材料。
（三）日本：重点围绕人工智能夯实人形机器人发展基础
2022年日本发布《人工智能战略2022》，该战略旨在通过开发和展示模仿大脑机制的人工智能节能技术、收集和建立日语相关的数据集、开发大规模语言模型等方面的措施促进人工智能的社会应用。
在人形机器人涉及的关键技术领域方面，2024年日本发布《统合创新战略2024》，该战略提出了三项强化措施，即关键技术相关的综合性战略、在全球视角下加强合作、提升人工智能领域竞争力并确保安全，并将人工智能、材料科学等认定为重要技术领域，强调通过跨领域的技术融合加强产学研合作，实现人工智能创新和安全发展，加速创新材料研发和产业化，以提升日本在尖端技术领域的竞争力。
（四）韩国：聚焦机器人战略加快人形机器人创新步伐
机器人方面，2022年韩国发布《2022年智能机器人实行计划》，该计划旨在加强韩国政府对工业和服务机器人的持续投资和支持，并放宽限制打造促进机器人产业发展的环境，2022年韩国政府投入2440亿韩元（约合2亿美元）开展工业及服务机器人研发和普及。2024年韩国发布《2024—2028年第四个智能机器人基本计划》，概述了从制造业到物流、服务、国防、社会保障、医疗保健和护理行业的机器人产业发展方向，到2030年的目标包括部署机器人100万台，关键部件的国内生产率提高到80%，完善促进先进机器人部署所需的51项法规，以及培养人才超过15000名。此外，该计划还将建立机器人友好型基础设施，制定机器人伦理准则，验证处于开发阶段的机器人的稳定性、可靠性，从而实现人形机器人的快速商业化。
（五）中国：高度重视人形机器人产业发展，率先发布指导文件
中国高度重视人形机器人产业发展，2023年10月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》（以下简称《指导意见》），旨在推动人形机器人产业高质量发展，有力支撑现代化产业体系建设。《指导意见》围绕关键技术突破、产品培育、场景拓展、生态营造以及支撑能力5方面部署了相关任务。《指导意见》提出，到2025年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体”等一批关键技术实现突破，整机产品达到国际先进水平并实现量产，并在特种、制造、民生服务等场景得到示范应用，到2027年，人形机器人技术创新能力显著提升，产业加速实现规模化发展，应用场景更加丰富，形成具有国际竞争力的产业生态。
综上所述，2021—2024年世界主要经济体在人形机器人领域发布的未来发展战略与规划，涉及人工智能、机器人、材料科学、智能制造等多种前沿领域。当前，中国率先面向人形机器人领域发布了专门的指导意见，美国、德国、日本、韩国虽然均尚未发布专门的人形机器人战略，但是美国和德国围绕人工智能、机器人、先进制造、材料科学等多领域的技术不断夯实人形机器人发展基础，日本和韩国则分别聚焦人工智能、机器人发展，为人形机器人发展奠定技术基础。
三、全球主要经济体人形机器人的重点发展方向
全球人形机器人产业发展步入快车道，世界主要经济体围绕人形机器人产业链上下游开展布局。在中游环节，美国的特斯拉、波士顿动力，日本的本田、中国的优必选、小米等全球主要经济体的多家中游企业积极布局并发布Optimus、Atlas、ASIMO、Walker X、Cyberone等相关产品。在下游环节，美国特斯拉、Figure AI以及中国优必选等人形机器人企业在工业制造、服务业、医疗康复等领域开展应用探索。在上游环节，全球主要经济体主要围绕人形机器人感知决策系统、算法控制系统、肢体关节系统三方面进行布局。
人形机器人产业链上游具有产品附加值高的特点，因此得到世界主要经济体相关企业的前瞻布局，如美国、中国、德国、日本、韩国等全球经济体以及挪威、丹麦、瑞典、比利时等北欧创新强国的相关企业在人形机器人产业链上游均有重点布局及关键产品。
（一）感知决策系统
人形机器人的感知决策系统负责视觉、听觉和思维等更高层次的认知功能，具体表现为环境感知能力，以及包括行为控制和人机交互在内的决策执行能力，环境感知能力又包括视觉和触觉两个方面。
视觉方面，美国人形机器人相关传感器企业采用的“时间飞行法+双目视觉”方案有望成为主要的技术路径。目前大多数人形机器人使用的是三维视觉传感器，该传感器的主要技术路径有三条。第一条路径为“双目视觉+时间飞行法”方案，主要采用企业为美国的Stereolabs和菲力尔 ；第二条路径为“时间飞行法+多摄像头”方案，主要采用企业包括美国的微软、日本的索尼；第三条路径为“结构光+复杂算法”方案，主要采用企业包括挪威的Zivid、比利时的Pickit、美国的英特尔。为再现人眼的工作原理，人形机器人综合视觉解决方案的未来趋势将以双目视觉为主要形式，以时间飞行法、结构光技术为辅助弥补其低夜视能力和高算法功耗。
触觉方面，仿人化力控、柔性电子皮肤发展空间广阔，澳大利亚、丹麦、美国、韩国、中国均有布局。具体来看，澳大利亚的Contactile是机器人触觉传感器领域的初创企业，该企业致力于实现智能灵巧的机器人抓取，其触觉传感器为机器人抓取系统提供了人手的感官优势，同时没有与尺寸、强度、环境和疲劳相关的物理限制。丹麦的OnRobot由OnRobot、OptoForce和Perception Robotics三家创新型臂端工具企业合并而成，该企业为机器人协作应用提供了各种工具和软件，包括电动、真空和磁力夹持器、夹持技术、力/扭矩传感器、视觉系统、螺丝刀、砂光机套件和工具更换器。美国的ATI是世界领先的机器人配件和手臂工具的工程企业，产品包括自动工具更换器、多轴力/扭矩传感系统、实用耦合器、材料去除工具、机器人碰撞传感器、手动工具更换器和顺应性设备。韩国的Robotous致力于为机器人系统提供高精度和可靠的六维力传感器，以帮助机器人实现准确的触觉感知和精确的运动控制，其传感器技术可以实时捕捉机器人与环境之间的交互力，为机器人提供精准的定位、操作和协作能力。目前人形机器人触觉的主流解决方案是六维力传感器，力传感器技术发展的三大趋势是压电/电容式、微机电系统多种感力元件的集成化运用、感力元件开发。
决策执行方面，类脑芯片和机器人大模型RobotGPT将推动人形机器人实现自然智能，美国和中国的企业在此领域占据主导地位。当前美国的Alphabet、微软、英伟达、OpenAI，以及中国的百度等科技企业已经在围绕“人工智能芯片+ChatGPT大模型”赋能人形机器人发展，依靠自然语言处理能力、机器学习、监督学习及ChatGPT不断迭代的技术能力实现高程度语言智能，如OpenAI的大模型包括GPT系列模型和DALL-E等。美国的Neuralink，以及中国的他山科技、达闼机器人等企业正在围绕人形机器人的逻辑数学智能、空间智能、身体动觉智能、人际智能和自然智能加紧“类脑芯片+RobotGPT大模型”研发。
（二）算法控制系统
人形机器人的算法控制系统负责协调和平衡机器人的运动，包括搭建运动控制算法库和建立网络控制系统架构两个方面。
运动控制算法方面，自研运控算法未来或成为人形机器人企业核心竞争力，韩国、美国、中国企业多采用离线行为库和实时调整相结合的方案。目前多数人形机器人企业的运动控制算法均为自研，但思路较为相似，即采用了离线行为库和实时调整相结合的方案。如韩国现代汽车公司旗下人形机器人企业波士顿动力基于离线行为库和模型预测控制实现对人形机器人Atlas的行为控制，使机器人能够在考虑环境的同时规划复杂的全身运动。美国特斯拉的人形机器人Optimus的步态规划算法思路和Atlas类似，运动规划器基于预期路径生成参考轨迹，控制器根据传感器实时信息对机器人进行姿态估计，对行为参数进行校正，也有助于应对复杂的现实环境。中国乐聚的人形机器人KUAVO在离线全动力学规划和实时全身运动控制算法基础上，加入了在线轨迹重规划，能够在复杂地形和环境中实现高效运动和稳定控制。乐聚机器人专注于机器人关键共性技术研究，是一家专注于高端智能人形机器人研究与开发的高科技企业，2023年该企业与深开鸿宣布合作，推出首款基于开源鸿蒙系统的人形机器人。
网络控制系统方面，目前大多数人形机器人基于美国斯坦福大学的机器人操作系统开发，开源鸿蒙有望成为中国人形机器人的主流操作系统。机器人操作系统起源于美国斯坦福大学，2022年被美国Alphabet旗下公司Intrinsic收购，目前大多数人形机器人基于该系统开发。2023年11月，中国乐聚机器人与深开鸿联合开发的基于开源鸿蒙系统的人形机器人打破了这一现状。机器人操作系统与开源鸿蒙系统在开发环境、硬件支持、生态系统等方面存在较大差异，但后者具备与外部传感设备数据互联、超级终端多设备连接的特性，安全性更高，能够助力人形机器人智能、高效、精准完成工作。
（三）肢体关节系统
人形机器人的肢体关节系统是实现成本控制和效率提升的核心要素，主要包括一体化关节、轻量化本体和动力单元。
一体化关节方面，日本的哈默纳科、德国的舍弗勒集团、瑞士的ABB是人形机器人关节领域的龙头企业。哈默纳科是全球谐波齿轮减速器龙头企业，其减速器产品经过用户长期使用验证。舍弗勒集团是生产滚动轴承和直线运动产品的全球领先企业，也是全球知名的核心传动部件丝杆生产企业。高质量一体化关节是降低人形机器人制造成本的关键，人形机器人一体化关节约占整体成本的50%，多数人形机器人整机有执行器超40个，包括直线执行器、旋转执行器和灵巧手三类，目前执行器多采用“无框力矩电机+谐波/行星减速器+传感器+丝杠+轴承”方案，其中行星减速器具有高刚性和高强度的特点，能够用于高承载力的关节。
轻量化本体方面，美国特斯拉第二代人形机器人Optimus Gen2采用聚醚醚酮材料，性能大幅提升。本体轻量化可大幅提高人形机器人灵活性和工作效率，减轻其运动惯性，提高安全性，聚醚醚酮有望成为人形机器人轻量化的核心材料。英国的威格斯是生产聚醚醚酮的全球领先企业，其不断创新聚醚醚酮材料形态和部件。当前多数人形机器人使用碳纤维或镁铝合金等复合材料制作的机械臂，如德国宇航中心第三代轻型机械臂LWR III通过碳纤维材料达到轻量化效果。聚醚醚酮能够满足人形机器人高强度轻量化要求，在人形机器人肢体方面具有较大的应用潜力，由于采用聚醚醚酮，特斯拉第二代人形机器人Optimus Gen2较上一代重量减轻10千克，步行速度提升30%。动力单元方面，中国的宁德时代有望成为中型电池和人形机器人领域的领导者之一。目前人形机器人普遍采用三元锂电池，相比于汽车采用的磷酸铁锂电池，三元锂电池的电流密度更高，可以满足人形机器人更大的动力续航要求。
四、人形机器人产业发展启示和建议
人形机器人反映了当今世界智能装备的最高技术水平，从上述分析可以看出，全球主要经济体不断夯实人形机器人关键技术基础，营造产业创新发展生态。基于此，本文提出以下几点启示和建议：
（一）营造良好的人形机器人产业创新生态
引导人形机器人创新要素向基础好、潜力大的地区汇聚，打造具有国际竞争力的人形机器人产业集群。加快建设人形机器人开源社区，促进人形机器人领域的技术交流和知识共享，降低人形机器人研发成本和门槛。建设一批人形机器人创新成果转移转化中心，完善科技中介服务体系，提高人形机器人创新成果产业化服务水平。建立健全人形机器人产业标准体系，加快人形机器人标准化路线图研究，满足人形机器人产业链标准化需求。
（二）提升人形机器人整机产品的制造能力
提升人形机器人整机产品的质量和可靠性，加快突破传感器、丝杆、谐波减速器、轴承等关键技术，开发低成本、高精度型的人形机器人整机产品，提高人形机器人整机产品在复杂极端环境下的可靠性。增强人形机器人整机的批量化生产能力，支持有条件的省市加快构筑人形机器人通用整机平台，解决产业发展共性问题，支持人形机器人个性化功能开发，加速人形机器人产品研制。
（三）加快推动人形机器人在多领域多场景应用
支持企业联合高校院所等建设人形机器人中试验证平台，提供中试熟化、工程开发、工艺改进、软件升级等服务，加快人形机器人产品落地和应用。加强人形机器人产品与脑机接口等前沿技术的融合，加快人形机器人新技术新产品的落地应用。打造多领域场景应用，推动人形机器人在工厂、医疗、救援、物流、农业、陪护、教育等典型场景的深度应用，提升人形机器人任务执行能力。
（作者分别系中国电子信息产业发展研究院科技与标准研究所研究总监；中国电子信息产业发展研究院科技与标准研究所助理研究员）