從早稻田大學(xué)1972年研發(fā)的WABOT，到特斯拉2022年首秀的Optimus，人類科學(xué)家對人形機器人的研發(fā)走過了半個世紀。在這半個世紀里，人形機器人的發(fā)展已經(jīng)從本田ASIMO、波士頓動力Atlas代表的技術(shù)驗證期，過渡到了以特斯拉Optimus為代表的商業(yè)試水期，一個新的機器人時代正在開啟。

為此，至頂科技特別策劃推出《機器人新紀元》專題報道，旨在探尋全球機器人團隊的技術(shù)變遷和創(chuàng)新故事。

本篇為《機器人新紀元》專題報道第二篇深度文章。

作者 | 金旺

欄目 | 機器人新紀元

2011年2月25日，美國航天史上發(fā)生了一件不大不小的事兒，這一天，NASA位于休斯敦的約翰遜航天中心研發(fā)的人形機器人Robonaut 2迎來了它的第一次太空旅行。

人類歷史上第一個登上太空的宇航員人形機器人就此誕生。

宇航員人形機器人在太空中能做什么工作？

NASA研究員曾在一篇公開發(fā)表的論文中指出，Robonaut的研發(fā)和設(shè)計，是為了執(zhí)行宇航員在空間站中需要執(zhí)行的所有任務(wù)。

這些任務(wù)既包括在太空中開展的例如觀察動植物生長的科學(xué)實驗，也包括空間站緊急維修等工作。

由于人類在太空失重環(huán)境中會導(dǎo)致肌肉萎縮，因而宇航員在太空中執(zhí)行任務(wù)時間往往不能超過6個月，某種意義上而言，空間站是一個更適合靈巧型機器人的工作環(huán)境，機器人，終將成為航空航天科技發(fā)展史上的重要一環(huán)。

2015年，在航天五院工作的張銳和團隊一起完成了嫦娥五號某顆探月衛(wèi)星項目后，當進行新的項目調(diào)研時，張銳意識到了宇航員人形機器人的挑戰(zhàn)性和重要性，于是，他向院里提出建議：我們應(yīng)該研發(fā)自己的宇航員人形機器人。

這一年，人形機器人依然是一項相當前沿的技術(shù)，尤其是宇航員人形機器人，我國當時還沒有任何相關(guān)國家級項目立項，因而也就沒有這方面的經(jīng)費來支持相應(yīng)科研院所的研究項目。

當時的張銳年輕氣盛，無法忍受這種“人有我無”的窘境，尤其還是在自己專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。

于是，張銳決心出走創(chuàng)業(yè)，做中國的宇航員人形機器人，命運的車輪，就此開始轉(zhuǎn)動。

1、DARPA挑戰(zhàn)賽與機器人的至暗時刻

2015年6月5日，美國洛杉磯東部一個名為Ponoma的小鎮(zhèn)熱鬧非凡，一場名為DARPA Robotics Challenge（簡稱DRC）的機器人挑戰(zhàn)賽在這一天迎來了總決賽，全球最頂尖的機器人團隊紛紛涌入這一小鎮(zhèn)，準備在這里大展拳腳。

作為全球機器人領(lǐng)域頂級賽事，這一年的DRC也是人形機器人技術(shù)一次階段性的成果總結(jié)和展示，因而吸引了不少來自全球各地的媒體和觀眾。

DRC比賽之初，也有幾個來自中國的機器人團隊報名參賽，但出于各種原因，最終都沒能出現(xiàn)在決賽現(xiàn)場，這導(dǎo)致中國機器人團隊失去了一個與全球機器人頂級團隊同臺展示的機會。

不過，除了中國機器人產(chǎn)業(yè)，并沒有多少人關(guān)注這件事兒，大家都把注意力放到了這場賽事中的人形機器人上。

2015年的人形機器人，就這樣被展示在滿懷期待的世人面前，然而，人們在這場大賽上看到的卻是人形機器人的各種現(xiàn)場翻車事件。

現(xiàn)在回想起當時的場景，張銳依舊記憶猶新，“在上臺階、過獨木橋、開門、上下車等基本動作中，這些人形機器人在現(xiàn)場不斷摔跟頭。”

當時的張銳剛剛涉足人形機器人領(lǐng)域，對人形機器人存在的問題還不甚了解，多年后，回想起當時的人形機器人，由于認為當時幾乎所有多數(shù)人形機器人都是基于波士頓動力的動力學(xué)模型人形機器人，在視覺空間計算方面下得功夫很少并不具備視覺傳感器和空間計算能力，感知與控制不精確、結(jié)合得不緊密，或許是機器人摔倒的主要原因?；谶@種判斷，張銳后來提出了機器人“運動腦”，讓機器人不光形態(tài)仿人，行為、思維也要仿人。

例如在抓門把手時，機器人不知道抓沒抓到，只能通過扭轉(zhuǎn)門把手來嘗試，而如果沒有抓住門把手空轉(zhuǎn)的話，就會因為沒有受力支點而直接摔倒在地。

2015年的DRC將人形機器人最真實的一面展現(xiàn)在了世人面前，當時的人形機器人就像是一個丫丫學(xué)步的孩童，這擊碎了大眾對于人形機器人的幻想，再加上賽后媒體一邊倒的聲勢，整個人形機器人行業(yè)由此也迎來了至暗時刻。

“當時新聞發(fā)出來，對全世界造成了一定的誤導(dǎo)，”張銳告訴科技行者，“大家都開始覺得人形機器人沒什么用，包括美國、歐洲不少原本在持續(xù)研究人形機器人的企業(yè)機構(gòu)，在這一項目上投入的研發(fā)資源也開始減少。”

不過，在這一年創(chuàng)業(yè)做人形機器人的張銳，并沒有受到媒體報道的影響，在分析了這次大賽中的人形機器人后，他發(fā)現(xiàn)了兩個問題：

第一，大賽上的人形機器人已經(jīng)具備了一定的自平衡能力，但是基于典型的路徑規(guī)劃算法，并沒有加入力反饋和自平衡算法，在內(nèi)部平衡系統(tǒng)上仍有很大的提升空間；

第二，大賽上的人形機器人都沒有視覺反饋信息，不具備空間計算能力。

這兩個問題背后同樣是兩個機會，它們構(gòu)成了張銳和他的團隊研發(fā)人形機器人的目標和初步設(shè)想，也讓他們從一開始就放棄了走波士頓動力的經(jīng)典路線，堅定了他們要走出一條自己新路線的想法。

2、兩年三代機器人，對標本田阿西莫

和國內(nèi)大多數(shù)機器人團隊不同的是，張銳創(chuàng)業(yè)之初就是奔著人形機器人去的，2015年，張銳一邊籌備團隊，一邊創(chuàng)立公司，一邊做著第一代人形機器人的整體規(guī)劃。

由于張銳本就是自動化專業(yè)出身，大學(xué)畢業(yè)后，又先后在北航機器人所、中科院自動化所、航天五院有過幾年從業(yè)經(jīng)驗，因而早期核心技術(shù)團隊，大都出自這些原本就是國內(nèi)機器人的頂級研究機構(gòu)。

在研發(fā)第一代人形機器人之前，張銳是先對人形機器人進行了整體技術(shù)方案規(guī)劃，這對于先后在北航機器人所做過嵌入式技術(shù)、在中科院自動化所做過姿態(tài)算法和自平衡技術(shù)、在航天五院做過系統(tǒng)工程，已經(jīng)訓(xùn)練出很好的系統(tǒng)化思維的他來說，并沒有感覺很吃力，反而有些得心應(yīng)手。

在做完整體技術(shù)方案規(guī)劃后，他又將這些技術(shù)一一拆解出來，以此來判斷，要完成自己的技術(shù)構(gòu)想，還需要哪些專業(yè)人才。于是，張銳一邊這樣做著技術(shù)拆解，一邊進行人員招聘。

實際上，直到著手研發(fā)第一代人形機器人時，張銳的團隊也不到10人，不過，這對于當時的他們來說，還算夠用。

2015年的中國機器人市場，仍以工業(yè)機器人為主流，市面上還沒有什么可以參考的人形機器人產(chǎn)品方案。因而，作為國內(nèi)最早做人形機器人的團隊，張銳為鋼鐵俠科技規(guī)劃的第一代產(chǎn)品只規(guī)劃了雙足，并沒有做雙臂和頭部。

張銳告訴科技行者，“人形機器人最關(guān)鍵的就是雙足，一般來講，看一個團隊的人形機器人是不是自己做的最直接的方法就是看他們第一代人形機器人是做的雙足，還是完整的人形機器人，如果第一代直接做了完整的人形機器人，很可能是貼牌或基于某個原型機做的改造。”

鋼鐵俠科技第一代人形機器人在2016年3月正式面世，當時他們還為這個90cm高、擁有12個自由度的雙足機器人的腰部配備了一個30公斤的質(zhì)塊，用以模擬上肢和頭部的重量，通過這一代機器人，張銳和他的團隊完成了雙足部分的技術(shù)驗證。

與此同時，第二代完整人形機器人的研發(fā)工作這時已經(jīng)緊鑼密鼓地悄然展開，而在第二代人形機器人研發(fā)過程中，張銳有了一個大膽的技術(shù)構(gòu)想。

2016年，軟銀計劃以320億美元收購ARM，英特爾開始在全球收購AI芯片團隊，深度學(xué)習(xí)剛剛爬上風(fēng)口，如果放在幾年后來看，這一年稱得上是人工智能初啟靈智的一年，但在當時，能夠給機器人提供算力的芯片，算力依然十分有限。

張銳在研發(fā)完第一代人形機器人時，就意識到了算力將會是接下來產(chǎn)品研發(fā)過程中不得不重點考慮的問題，如果再加上雙臂、加上更多自由度和功能設(shè)計的話，當時市面上主流處理器擁有的算力根本無法滿足人形機器人的系統(tǒng)性需求。

張銳當時認為，人形機器人需要兩套傳感系統(tǒng)，一套對內(nèi)，一套對外：

• 對內(nèi)的傳感系統(tǒng)，需要快速處理最底層的邏輯計算，需要有很強的實時性；
• 對外的傳感系統(tǒng)，需要具備強調(diào)的圖像處理能力。

基于這樣的設(shè)計思路，張銳在第二代人形機器人的自研控制器中，引入了雙處理器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了內(nèi)外兩套傳感系統(tǒng)的獨立控制。

更為關(guān)鍵的是，在這一代人形機器人中，張銳還提升了核心零部件的自研占比，包括控制器、電機驅(qū)動器、姿態(tài)傳感器等零部件的自研比例，都在這一代機器人中得到了極大的提升。

如果核心零部件完全依靠外部采購，僅僅是控制器、減速器、伺服電機三大核心零部件，在機器人產(chǎn)品最終成本占比就高達70%，張銳告訴科技行者，“我們自創(chuàng)業(yè)以來就很關(guān)注核心零部件的自研，像控制器、姿態(tài)傳感器，國外好一點的一個就要大幾萬，核心零部件自研為我們省下了不少成本。”

據(jù)張銳透露，鋼鐵俠科技人形機器人的早期外部采購硬件成本占比在40%左右，現(xiàn)在大約只占到30%左右。

雙處理器結(jié)構(gòu)，再加上自研核心零部件，讓這代機器人不僅在成本上得到了很好的控制，也讓鋼鐵俠科技的第二代人形機器人的自由度從12個增加到了26個，能夠?qū)崿F(xiàn)雙足行走、上下臺階等基本動作。

不過，這還不是鋼鐵俠科技人形機器人的完整版本，真正鋼鐵俠科技的完整版本，是在半年后發(fā)布的第三代人形機器人。

2017年8月，在WRC 2017上，鋼鐵俠三代人形機器人同臺展出，瞬間燃爆全場，鋼鐵俠第三代人形機器人不僅在現(xiàn)場表演了行走、倒水、遞話筒、上下臺階等動作能力，接待了兩位國家副總理，還在現(xiàn)場實現(xiàn)了連續(xù)一周的無故障表演。

“其實我們第三代人形機器人對標的是本田的阿西莫（ASIMO），當時阿西莫能實現(xiàn)的功能，我們已經(jīng)都能實現(xiàn)。”張銳告訴科技行者，“而連續(xù)一周無故障表演，即便對于今天的人形機器人而言，依舊是一項很難達到的指標。”

3、在2017年做商業(yè)化

2018年6月28日，這一天，日本NHK電視臺播報了一則重磅新聞：

日本本田公司于2000年立項的人形機器人ASIMO，已經(jīng)停止研發(fā)工作，并解散了開發(fā)團隊。

本田ASIMO和波士頓動力Atlas齊名，作為全球人形機器人的頂級明星項目，一直受到全球矚目，ASIMO之于人形機器人，有堪比特斯拉之于電動汽車的影響力。

這一團隊的解散，震驚了整個行業(yè)，甚至讓不少人對人形機器人的價值和意義再次產(chǎn)生了懷疑。

ASIMO研發(fā)團隊的解散，同樣引起了張銳和他的團隊的關(guān)注，不過，張銳認為，這樣的調(diào)整，對于本田而言是一次回歸，而非撤退。

作為曾經(jīng)對標本田ASIMO的人形機器人團隊，張銳曾專程到日本拜訪過本田ASIMO團隊，也了解到了ASIMO之于本田的意義。

原來，本田當初成立ASIMO團隊，是為了讓它代表本田公司最高技術(shù)，意在打造自身在產(chǎn)業(yè)中的高科技品牌形象——人形機器人都能做好，汽車自然也就不在話下，這樣也就能讓本田賣出更多汽車。

不過，本田還是把這件事兒想簡單了。

后來的事實證明，獨立出來這樣一個人形機器人團隊，由于在技術(shù)上沒有與其他產(chǎn)品團隊形成聯(lián)動，對于整個公司產(chǎn)生的實際價值極為有限，這也就導(dǎo)致了2018年ASIMO團隊的解散。

從某種意義上而言，ASIMO團隊并沒有解散，本田是將這些人分散到了其他部門中參與產(chǎn)品和設(shè)計工作，這樣就可以把人形機器人的技術(shù)復(fù)用到其他產(chǎn)品中。

張銳認為，這樣的思路更符合一個商業(yè)公司的商業(yè)邏輯。

實際上，鋼鐵俠科技早在2017年完成第三代人形機器人研發(fā)，正式進入商業(yè)化時，就做出了和阿西莫同樣的選擇。

2017年年底，鋼鐵俠科技進行了公司成立以來規(guī)模最大的一次組織架構(gòu)調(diào)整，彼時，鋼鐵俠科技前期搭建起來的研發(fā)團隊開始按技術(shù)分工分為硬件、軟件、控制、算法等團隊，這些團隊會根據(jù)項目需求，被抽調(diào)到不同商業(yè)化項目團隊中。

鋼鐵俠科技的人形機器人，也自這一年開始，逐漸出現(xiàn)在了國內(nèi)高校實驗室、科研院所中，與此同時，張銳也開始將在人形機器人研發(fā)過程中積累下來的技術(shù)復(fù)用到其它機器人產(chǎn)品中。

例如，機器人線控底盤。

2018年在與清華大學(xué)合作的國家課題中，鋼鐵俠科技開始涉足線控底盤領(lǐng)域，在做這一項目時，張銳想到了德國的博世。

博世是全球線控底盤領(lǐng)域的巨頭公司，如今已經(jīng)成為全球頂級的一級汽車供應(yīng)商，想到國內(nèi)也應(yīng)該有一家這樣的線控底盤公司，張銳就將這條產(chǎn)品線一直延續(xù)了下來，如今已經(jīng)成為鋼鐵俠科技的一條現(xiàn)金流業(yè)務(wù)。

據(jù)張銳透露，今年鋼鐵俠科技由于拿下了一個基于線控底盤的項目，項目金額達到億級，因而線控底盤業(yè)務(wù)在今年公司整體營收占比中將會過半。

而在人形機器人商業(yè)化項目中，讓張銳記憶最深的，則是在2019年中標的中國宇航員人形機器人項目。

4、第二項建議：定義統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)

2019年8月27日，俄羅斯宇航局首個宇航員人形機器人進入太空，并開始在國際空間站中開展人形機器人的試驗工作，俄羅斯成為繼美國第二個將宇航員人形機器人送到了國際空間站中的國家。

也是在這一年，中國宇航員人形機器人項目正式立項，而這時，國內(nèi)已經(jīng)有了幾家技術(shù)實力還不錯的市場化人形機器人團隊，鋼鐵俠科技就是其中一家。

2020年，國家航天局將研發(fā)宇航員人形機器人的任務(wù)交到了航天五院，航天五院最終選擇聯(lián)合國內(nèi)有人形機器人經(jīng)驗的團隊進行這一項目的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研發(fā)，當時包括北航、清華、上海交大、國防科技大學(xué)、鋼鐵俠科技、優(yōu)必選科技等團隊都參與了這次技術(shù)方案論證。

由于是國家首個宇航員人形機器人科研項目，航天五院對機器人性能、艙外移動和艙外執(zhí)行任務(wù)等功能做出嚴格要求，最終經(jīng)過5輪技術(shù)方案論證，鋼鐵俠科技成為獨家擔(dān)綱中國宇航員人形機器人這一項目的主力團隊。

就在四年前，張銳向所在單位航天五院提出做宇航員人形機器人建議時，或許不會想到，四年后的他，會通過一個市場化的技術(shù)團隊，來完成當時自己提出的這一產(chǎn)品構(gòu)想。

過去四年里，鋼鐵俠科技人形機器人研發(fā)過程中的另一項技術(shù)突破，同樣源于四年前的一次“諫言”，也同樣成為拿下這次宇航員人形機器人項目的關(guān)鍵。

2015年，就在張銳“上書諫言”航天五院做宇航員人形機器人時，還提出了另一個構(gòu)想——整改衛(wèi)星通信系統(tǒng)，做一個統(tǒng)一的計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

當時的這一構(gòu)想，同樣由于種種原因未能通過項目審批。

不過，在創(chuàng)業(yè)做人形機器人后，張銳沒有忘記當時自己的這一構(gòu)想，從研發(fā)第一代人形機器人時，他就和團隊開始自己設(shè)計硬件接口，自己定義通信協(xié)議，并將所有通信接口和通信協(xié)議歸集到自研的控制器中，從而構(gòu)建統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。

在第一代人形機器人上進行整體拓撲結(jié)構(gòu)歸一設(shè)計時，張銳只是借鑒之前在航天領(lǐng)域的科研經(jīng)驗教訓(xùn)，覺得這樣的設(shè)計有利于人形機器人系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性，當時兩年三代人形機器人的研發(fā)節(jié)奏，也讓他們無暇為這一技術(shù)取一個像樣的名字，直到在研發(fā)第三代人形機器人時，團隊進一步拓展了這一通信網(wǎng)絡(luò)的邊界，這項技術(shù)才第一次有了自己的名字。

2017年1月，鋼鐵俠科技第二代人形機器人問世，隨之而來的是第三代人形機器人設(shè)計規(guī)劃開始提上日程。

在做第三代人形機器人規(guī)劃時，一個尤為關(guān)鍵的核心技術(shù)指標，是機器人整機控制頻率的提升。

張銳發(fā)現(xiàn)，如果基于之前的通信技術(shù)方案，機器人的整機控制頻率也將會被限制在當時行業(yè)基本水平，為了避免這樣的結(jié)果，他向團隊提出，“我們要設(shè)計完全屬于自己的通信網(wǎng)絡(luò)，讓機器人整機控制頻率能夠受我們自己的控制。”

完全定義一套硬件接口和通信接口協(xié)議規(guī)范，這樣的工作量是不可想象的，好在團隊自研發(fā)第一代人形機器人以來積累下的經(jīng)驗，讓他們得以在這一年的第三代人形機器人上完成了整套通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，也是在這一年，這套通信網(wǎng)絡(luò)有了自己的名字——ARTNET。

時間撥回到2020年，這一年，在宇航員人形機器人項目競標時，同樣對通信系統(tǒng)提出了嚴格要求，而鋼鐵俠科技是參與這一項目競標中通信系統(tǒng)設(shè)計最完備的人形機器人團隊。

張銳告訴科技行者，“實際上，這一年我受國家相關(guān)部門航天五院委托，起草了我們國家航天衛(wèi)星系統(tǒng)的通信協(xié)議標準。”

5、機器人要智能化，但改變格局的不會是大模型

2023年，通用人工智能大模型的出現(xiàn)，讓人形機器人市場再次興奮起來，尤其是大模型表現(xiàn)出的泛化能力，讓不少機器人團隊看到了人形機器人快速發(fā)展的希望。

鋼鐵俠科技是在2022年的一個項目中接觸到的這類技術(shù)，也是從那時起，他們開始將強化學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到了機器人上。

不過，張銳并不認為大模型會對人形機器人產(chǎn)業(yè)帶來什么顛覆性。

張銳認為，大模型要想在人形機器人上發(fā)揮出魔力，至少要滿足一個基礎(chǔ)條件：數(shù)學(xué)模型與物理模型之間的統(tǒng)一。

2018年，DeepMind推出了一個名為Control Suite的仿真套件，在這一仿真環(huán)境中，人形機器人可以跑步、跳躍、匍匐前進，可以完成各種人類想讓它完成的工作，然而即便是波士頓動力，也無法將這一仿真模型應(yīng)用到人形機器人上。

其中問題，正是在于數(shù)學(xué)模型和物理模型無法實現(xiàn)統(tǒng)一。

仿真環(huán)境沒有約束條件，所有電機都被視為可以快速響應(yīng)，所有關(guān)節(jié)都能跟上算法的規(guī)劃，不過，真實設(shè)備工作環(huán)境并非如此。

以減速器為例，每個減速器都有一個額定減速比（例如1:50），然而，減速器本身實際上是一個非線性設(shè)備，并不能100%以額定減速比進行工作，而這直接導(dǎo)致了最終人形機器人動作執(zhí)行的精準度。

“這個問題直接限制了目前人形機器人大規(guī)模推廣應(yīng)用，”張銳對此不無無奈，“即便是放到全球來看，現(xiàn)在依然沒有很好的解決辦法。”

因而，他認為大模型更多解決的是機器人的決策問題。

當下人工智能大模型可以處理問題分為兩類：一類是語義分析，另一類是視覺識別。

鋼鐵俠科技實際上早在2018年就開始研究機器人智能化的方向，視覺識別就是其中一個主要方向，當時的鋼鐵俠科技組建了自己的空間計算團隊，開始研究三維空間計算相關(guān)技術(shù)，并在2021年研發(fā)出了基于視覺智能的示教系統(tǒng)和體感遙控系統(tǒng)。

張銳告訴科技行者，“我們原有的技術(shù)路線是先通過視覺實現(xiàn)環(huán)境感知，然后通過控制器決策如何執(zhí)行動作，大模型剛好相反，是先讓機器人把一個物體抓起來，然后再通過感知系統(tǒng)辨別物體。”

他也指出，“即便大模型獲得再大的技術(shù)突破，可能到了人形機器人演示階段，仍然無法沖破仿真世界與真實世界之間存在多年的基礎(chǔ)材料科學(xué)筑起的壁壘。”

基礎(chǔ)材料科學(xué)構(gòu)筑起的這道壁壘，也將會成為未來人形機器人軟硬件技術(shù)之間一道難以逾越的鴻溝。

不過，對于人形機器人，張銳也并非一個悲觀主義者，他有著自己的一套評判標準，他認為，人形機器人發(fā)展大致可以分為三個階段：

第一階段：原理樣機階段，大部分團隊的第一款人形機器人都處于原理樣機階段；

第二階段：控制階段，能夠讓人形機器人做一些諸如跑、跳、上下臺階等動作的團隊處于這一階段；

第三階段：應(yīng)用階段，能夠真正將人形機器人應(yīng)用在實際場景中的團隊。

在張銳看來，全球已經(jīng)進入應(yīng)用階段的，目前只有三個團隊，“一個是美國宇航局，一個是俄羅斯宇航局，還有一個是我們。”