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机器人灵巧性依然难以突破:现状与未来展望

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Robot Dexterity Still Seems Hard – By Brian Potter

探讨机器人灵巧性面临的硬件与软件挑战,分析当前人形机器人在复杂物体操作中的表现及未来发展趋势,揭示机器人技术在实现人类般操作能力方面的现实难题与潜在解决路径。

近年来,人形机器人的研发与应用成为全球科技领域的热门话题。无论是初创企业还是大型科技公司,都在投入巨资开发行动灵活、能完成多样任务的机器人。例如,Tesla的Optimus、波士顿动力的Atlas以及Unitree的G1机器人纷纷亮相,展示了在跑步、翻滚甚至武术动作上的出色表现。然而,尽管这些机器人的运动能力逐渐趋近人类水平,实现高度灵巧的物体操作依然是一个亟待突破的难题。 为什么灵巧性对机器人如此重要?灵巧性,简单说,就是机器人能像人类一样,对各种形状、大小不一、材质各异的物体进行多种多样的操作。人类可以轻松完成开盖、折衣服、倒水等日常活动,即使是从未接触过的新物体和任务,也能快速适应和完成。

相比之下,现阶段的机器人虽能执行特定重复性任务,却难以在高度不可预测的环境中表现出类似的柔性操作能力。 在工业领域,机器人早已展现出惊人的精准性。例如,机械臂能够在焊接线上精确控制动作,重复误差仅为微米级别。然而这种精准动作是基于严格的环境控制和重复预设程序。机器人在环境稍有变化时往往需要重新编程或调整,灵活适应能力远低于人类。而灵巧性的本质,正是在于能够快速、自然地应对新情况,完成异质物体的操作,这依赖于高度复杂的感知和动作能力。

技术发展的挑战既涉及硬件又牵扯到软件。硬件方面,现有的机器人手结构复杂、尺寸受限且力量不足。人类手的力量和精细控制几乎难以被复制。人体手拥有约一万七千个触觉感受器,能感知轻微的压力变化和细微的纹理差异,辅助完成精准操作。相比之下,机器人的触觉传感器数量远低于人类,且精度和敏感度有限,使其难以获取必要的触觉信息用于动作调整。此外,机器人手的机械强度往往难以兼顾灵活度,力量大往往意味着关节粗壮,限制了手部的细微动作能力,再加上传感器易损坏,使得设计面临权衡困境。

软件角度的挑战更为复杂。机器人需要实时整合大量异质感知数据,如触觉、视觉和自身状态反馈,结合AI算法快速推断和调整动作,这在计算复杂度和算法稳定性上均面临严峻考验。人类的本体感受能力(proprioception)使大脑对四肢位置和动作动态拥有高度准确的内感知,机器人则需要仰赖传感器反馈来估算和校正姿态。现有技术尚难实现类似人类的连续感知和细腻调整。 目前,常见的演示大多集中于大型、刚性物体的简单搬运或固定任务。比如,Agility Robotics的Digit能够搬运集装箱,Figure的02机器人在宝马的组装线上协助搬运零部件,Apptronik的Apollo被用于汽车制造。

然而,在复杂的精细工序如准确对接小型零件、柔软物体的操控等方面,机器人仍表现出明显不足。有些演示视频表明,即使是简单的倒水、按键启动等生活动作,机器人动作也颇为笨拙,有时需要人工远程辅助来完成操作。 更为困难的是那些典型的人类日常灵巧任务,如打开带安全锁的药瓶、系紧松脱的绳结、折叠衣物、甚至准备三明治等。这些任务表面看似简单,但涉及复杂的多指配合、细致的触觉反馈和高度灵活的动作规划。机器人要达到这一水平,不仅需要更先进的机械设计,还要求AI系统具备深度的环境理解和即时动作调整能力。实际上,目前还未出现能够完全自主完成这类任务的商用机器人。

投资方面,人形机器人领域活跃着众多坚实的资本支持。诸如Apptronik、Figure AI、1X Technologies等公司累计融资已超过70亿美元,部分公司如Figure AI计划继续募资超十亿美元以推进研发。这些资金将覆盖更精密的硬件制造、AI算法优化及大规模数据采集等,推动机器人灵巧性持续提升。但技术发展的不确定性和长周期特征意味着短期内难见透彻突破。 此外,灵巧操作能力的评估标准尚在不断完善中。类似于AI领域的能力评测,机器人行业也致力于制定针对灵巧性的“实测任务”,例如穿戴手套、打结与解结、翻书页、从口袋中取精确物品、制作三明治等日常操作。

这些任务对动作的速度、精准度和触觉判断均有较高要求,是检测机器人操作灵巧性和自主性的有效途径。未来通过统一评测标准的建立,行业将更清晰地认知发展现状和瓶颈。 未来的灵巧性进步路径可能存在不同模式。一种观点是,机器人灵巧性将逐步演进,类似自动驾驶汽车技术的发展,逐步解决复杂场景中的边界条件和特殊情况,稳定性和可靠性稳步提高。另一种设想则寄希望于仿真技术和合成数据训练让机器人大幅提升操作泛化能力,缩短真实环境数据采集周期,从而实现更快的能力跃迁。 同时,尽管人形机器人的优势在于与现有人类环境的高度兼容,如工具、家具和设施均以人体规格设计,但对于许多专用任务而言,非人形机器人形式可能更加优越。

灵巧性是否必须依赖于人形设计,仍需从实际应用及成本效益等方面深入考量。 总而言之,尽管当前人形机器人在运动灵活度方面取得令人瞩目的进展,但在复杂、灵巧的物体操作能力方面依然面临众多难以逾越的挑战。硬件设计的限制、触觉传感器密度不足、复杂软硬件结合带来的技术壁垒均是关键因素。人工智能的发展虽给机器人灵巧性带来曙光,但目前多数实际应用仍需结合人工远程操作辅助。未来机器人能否真正实现如人类般自在灵巧地操控多样物体,尚需技术与资金的持续投入以及创新突破。机器人灵巧性的提升将深刻影响工业自动化、服务机器人以及人机交互等诸多领域,值得科技界和产业界持续关注与探索。

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