阻碍人形机器人普及的因素有哪些？商业化面临的四大硬件瓶颈

引言：人形机器人市场增长迅速，但商业化仍然面临挑战

人形机器人正从研究实验室走向现实世界的工作场所。特斯拉、Figure AI、优必选、Agility Robotics 和 Unitree 等公司正在积极开发用于制造、物流、仓储、零售和服务领域的机器人。

增长势头强劲。据高盛研究公司称，全球人形机器人市场规模可能达到 到2035年将达到380亿美元，年出货量即将达到 140万台与此同时，该公司估计，随着关键部件价格的下降，人形机器人的制造成本已经大幅下降。

虽然人工智能的进步吸引了公众的大部分注意力，但仅靠人工智能不足以推动大规模部署。人形机器人不仅需要思考和感知，还需要高效移动、操控物体、保持平衡，并能长时间安全运行。

实际上，商业化的速度越来越取决于硬件。

瓶颈1：能量密度仍然限制了实际工作时间

为什么电池技术如此重要

与使用固定电源的工业机器人手臂不同，人形机器人必须携带自己的能源供应才能执行高度动态的运动。

每个动作都会消耗能量：

• 步行
• 平衡
• 操纵物体
• 运行人工智能模型
• 处理传感器数据
• 无线通信

这给工程设计带来了巨大的挑战。

增加电池容量可以延长运行时间，但更大的电池也会增加重量。额外的重量会增加能耗，这种权衡会影响系统的整体效率。

能量密度挑战

如今大多数人形机器人都依赖于先进的锂离子电池系统。尽管过去十年电池技术取得了显著进步，但与人工智能的飞速发展相比，能量密度的提升相对缓慢。

对于人形机器人而言，电池性能直接影响：

• 运行时
• 有效载荷能力
• 流动性
• 热管理
• 安全

即使能量密度的微小提升也能显著提高机器人生产率并降低运营成本。

未来展望

多种技术可以帮助解决这一瓶颈问题：

• 半固态电池
• 固态电池
• 更高效的电源管理系统
• 轻质结构材料

在储能技术取得实质性突破之前，电池容量的限制仍将是人形机器人长时间运行的最大障碍之一。

瓶颈2：传感器融合比传感器采集更难

传感器数量越多，感知能力并不一定就越强。

现代人形机器人配备了种类繁多的传感器：

• RGB相机
• 深度摄像头
• 激光雷达系统
• 惯性测量单元 (IMU)
• 力传感器
• 触觉传感器

这些设备会持续产生大量环境数据。

真正的挑战不在于收集信息。

难点在于如何将它们结合起来。

为什么传感器融合会成为瓶颈

每个传感器的工作原理都不同。

例如：

• 摄像头提供丰富的视觉信息。
• 激光雷达可提供精确的空间测量数据。
• IMU（惯性测量单元）跟踪运动和姿态。
• 力传感器用于测量物理相互作用。

这些数据流的到达频率和准确度各不相同。

为了做出有效的决策，机器人必须实时同步和处理所有这些信息。

随着传感器数量的增加，工程师们面临着以下日益严峻的挑战：

• 数据同步
• 计算负荷
• 延迟
• 功耗
• 系统成本

因此，感知性能通常不受传感器质量的限制，而是受有效融合多个数据源的能力的限制。

未来展望

下一代人形机器人很可能依赖于更智能的感知架构，而不是简单地增加传感器数量。

人工智能辅助传感器融合和边缘计算技术的进步有助于降低硬件复杂性，同时提高环境感知能力。

瓶颈三：灵巧的手部动作仍然落后于人类的能力

操纵创造商业价值

走路很厉害。

操纵行为能够创造经济价值。

大多数现实世界的工作都需要机器人直接与物体、工具、包装材料、机械和产品进行交互。因此，机械手已成为人形机器人领域最重要的技术之一。

人手仍然是衡量标准

人手拥有超过 20 个自由度，能够以惊人的精度完成高度复杂的任务。

人类可以毫不费力地：

• 捡起易碎物品
• 操作工具
• 折叠衣物
• 组装产品
• 处理形状不规则的物品

复制这些能力仍然极其困难。

目前的机械手正在不断改进

近年来，商用机器人手取得了显著进展。

例如，像 Inspire Robots 的灵巧手这样的先进商业产品现在提供了多达 12 个驱动自由度，而特斯拉最新的 Optimus Gen 2 手则通过瞄准 22 个自由度来突破界限，以更紧密地匹配人类的运动。

这些规格表明，机器人手的开发者们正在努力使机器人手达到人类水平的灵巧度。

然而，要达到与人类操作相匹配的水平，需要的不仅仅是增加自由度。

机器人还必须实现以下目标：

• 精确的力控制
• 快速响应时间
• 可靠的触觉传感
• 自适应抓握策略

这种组合仍然是机器人领域最棘手的挑战之一。

为什么微型驱​​动系统如此重要

随着机械手变得越来越精密，其内部空间也变得越来越有限。

每个手指都包含多个关节，因此需要紧凑、轻便且响应迅速的驱动系统。

传统电机往往难以在标准、体积较大的车架尺寸内平衡快速加速所需的高扭矩重量比。

因此，许多机器人手设计师正在探索 无芯 直流齿轮电机s。

与传统电机设计相比，无芯电机具有以下几个优点：

这些特性使它们特别适合灵巧的机器人手，因为在机器人手上，精度和响应速度至关重要。

随着人形机器人不断发展，微型驱动系统有望在先进的操控技术中发挥越来越重要的作用。

瓶颈四：执行器系统决定机器人的运动性能

执行器是机器人的肌肉

如果说人工智能是机器人的大脑，那么执行器就是它的肌肉。

人形机器人执行的每一个动作都依赖于执行器系统，这些系统将电能转化为机械运动。

无论机器人是：

• 步行
• 平衡
• 蹲姿
• 爬楼梯
• 举起物体

执行器性能直接影响整体性能。

为什么执行器价格依然昂贵

人形机器人通常需要数十个关节和多个身体自由度。

每个执行器必须同时提供：

• 高扭矩
• 精确定位
• 快速响应
• 能源效率
• 使用寿命长

在紧凑的体积内满足所有这些要求极具挑战性。

因此，执行器系统仍然是人形机器人设计中技术要求最高、成本最高的组件之一。

降低成本正成为一种竞争优势

高盛研究报告称，近年来，由于零部件采购、生产规模和供应链效率的提高，人形机器人制造成本估计大幅下降。

未来降低成本的途径可能包括：

• 更高水平的执行器集成
• 电机效率提高
• 先进的传动系统
• 可扩展的制造工艺

随着行业向大规模生产迈进，能够在保持性能的同时降低执行器成本的公司可能会获得巨大的优势。

未来之路：硬件将塑造人形机器人的未来

人工智能极大地提高了机器人的感知和决策能力。

然而，人形机器人的未来成功同样很大程度上取决于硬件创新。

多种技术有望塑造下一代人形机器人系统：

• 高能量密度电池
• 先进的传感器融合架构
• 触觉传感技术
• 灵巧的机械手
• 集成执行器系统
• 紧凑型驱动技术
• 无芯电机解决方案

随着这些技术的成熟，人形机器人将变得更加强大、可靠，并且在商业部署方面更具经济可行性。

结论

人形机器人产业正进入商业化的关键阶段。

高盛表示，市场可能达到 到2035年将达到380亿美元凸显了这一新兴行业的巨大经济潜力。

尽管人工智能取得了快速发展，但其广泛应用仍取决于解决几个基本的硬件难题。

能源系统持续限制运行时间。

传感器融合仍然需要大量的计算资源。

灵巧的手尚未达到人类的操作水平。

执行器系统必须变得更小、更高效、更经济。

能够克服这些瓶颈的公司很可能会定义下一代人形机器人，并决定机器人融入日常工业和商业运营的速度。

参考

1. 高盛研究部。 到2035年，全球人形机器人市场规模可能达到380亿美元。（2024 年）
   https://www.goldmansachs.com/insights/articles/the-global-market-for-robots-could-reach-38-billion-by-2035.html
2. 高盛研究部。 人形机器人：比你想象的来得更快（2022 年）
   https://www.goldmansachs.com/insights/articles/humanoid-robots
3. HX5-D20 灵巧手产品信息。
   https://www.robotis.us
4. 人形向导。 ROBOTIS HX5-D20 技术规格。
   https://humanoid.guide/product/hx5-d20/
5. 影子机器人公司。 暗影灵巧之手技术规格。
   https://www.shadowrobot.com