从追赶者到引领者,人形机器人能否走出下一个「比亚迪」?

科技前沿 502

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2023 年是中国汽车产业标志性的一年。一季度,中国汽车出口首次超过日本,成为世界上出口汽车最多的国家。而年初公布的数据显示,2022 年比亚迪的电动车销量超过特斯拉,成为世界上最大的电动车生产商。

德国人在十九世纪就发明了汽车,而九月刚刚召开的慕尼黑车展上,中国企业大出风头。从追赶到引领,新能源汽车的成功不禁令人好奇:未来中国还有什么产业还能走出这样的曲线?下一个比亚迪可能是谁?

不久前,工信部发布了《人形机器人创新发展指导意见》,当中提到:人形机器人有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品。可以说,人形机器人也许会是下一个「比亚迪」诞生的行业。

中国的新能源汽车能够从落后走向追赶,其中一个重要的风向标,就在于技术专利数。硬科技领域没有捷径,专利是一个行业技术能力最直接的展示。

据统计,2011-2020 年全球新能源汽车行业专利授权数量逐年增长。2010 年,日本在电动车领域的专利申请位列世界第一,2010 年至 2022 年,中国企业在电池充电盒和更换方面,专利申请数量达到了日本企业的 1.5 倍。而 2022 年,中国新能源汽车专利申请量已经成为世界第一,占全球新能源汽车专利总申请量的 41.20%。

这样的趋势,目前似乎正在人形机器人领域重现。

人民网研究院最近发布的《人形机器人技术专利分析报告》显示,中国在人形机器人专利申请方面增速明显。

2015 年,中国人形机器人专利申请量(261 件)首次超越日本(214 件);2016 年,中国专利申请量首次成为全球第一(721 件);2022 年,中国专利申请总量(6596 件)超过日本(6058 件)成为全球第一;在众多人形机器人企业之中,中国企业优必选科技又以 763 件专利,超过了本田、特斯拉等,成为全球持有人形机器人有效技术专利最多的企业。

在人工智能为通用人形机器人带来新的想象力之际,特斯拉、亚马逊、微软、三星等多家全球巨头企业都在纷纷投入人形机器人的研发中。而在国内,人形机器人也在 2023 年成为了最受关注的新兴产业之一。《人形机器人创新发展指导意见》,提出到 2025 年,我国人形机器人创新体系初步建立;国内首家省级人形机器人创新中心也在北京成立。凭借在人形机器人行业积累的专利优势,中国的人形机器人公司中,或许将走出一个新的「比亚迪」。

人形机器人产业爆火

近几年来,无论是国内还是国外,各个大公司都在人形机器人方面动作频繁。

马斯克 2022 年宣布的 Optimus 机器人,据称将在 2023 年开启量产,而亚马逊投资过的 Agility Robotics 正在打造世界第一个人形机器人工厂,据称可以每年量产一万台人形机器人。

在中国,仅世界机器人大会上,就展出了十几款人形机器人,其中一半以上都在近一年发布。其中,不但有小米这样的科技巨头入局,也有不少曾经专注于四足或其他机器人的公司入局。更有前华为天才少年稚晖君在二月成立人形机器人公司,3 个月内就成为独角兽的传奇故事。

8 月举行的成都第 31 届世界大学生夏季运动会上,优必选科技自主研发的 Walker 系列大型人形机器人,还登上了闭幕式的舞台,这是世界性综合运动会闭幕式首次采用大型人形机器人。

这不是优必选人形机器人第一次参与这种大型活动,此前,Walker 系列人形机器人已经在迪拜世博会中国馆、沙特 NEOM 新未来城、中国科学技术馆等场所实现商业化落地。弗若斯特沙利文的报告显示,Walker 是中国第一款实现商业化的大型人形机器人。

人形机器人近年受到极高关注的背后,是产业超半个世纪的发展历程。

早在 1969-1995 年,以早稻田大学的人形机器人 WABOT 为代表的人形机器人已经尝试开始缓慢静态行走。1996-2015 年,人形机器人开始连续动态行走,开创者是本田的人形机器人 ASIMO。2016 年至 2020 年,我们开始看到波士顿动力的人形机器人进行令人惊叹的运动动作。

不过,人形机器人真正的商业化,在过去却并不是一帆风顺。波士顿动力公司被几度出售,2018 年,曾经开创人形机器人先河的本田 ASIMO 机器人宣布退役,2021 年,一度生产过 27000 台人形机器人的软银机器人公司,宣布停产 Pepper 人形机器人。

其中部分的原因,来自过去的人形机器人,虽然拥有动作能力,但大脑,即上层的逻辑推理、决策、规划和与环境的交互不足,使得人形机器人的应用范围并不广泛。同时,成本的高企也是人形机器人商业化艰难的原因。

不过,进入 2021-2022 年,人形机器人的商业化前景出现了新的变化。

AI 大模型的出现,突破了人形机器人的智能局限,推进人机交互方式的变革,人形机器人也正让 AI 大模型照进现实。

在世界机器人大会上,优必选科技创始人、董事长兼 CEO 周剑提到,人形机器人已经进入产业化落地阶段,公司将聚焦于人形机器人的三大应用场景,包括工业制造、商用服务和家庭陪伴。他透露,目前优必选科技正在与国内智能制造头部企业以及高端智能装备解决方案企业探索人形机器人在新能源汽车、3C 电子、智慧物流等工业场景的应用。

特斯拉和小米同样在探索人形机器人在智能制造领域的落地可能。在特斯拉 2023 年 Q2 业绩说明会上,马斯克表示,计划明年在特斯拉工厂进行 Optimus 的实用性测试。根据特斯拉透露的未来方向,Optimus 的应用场景未来会涉及工业生产,也就是由人形机器人全程接管汽车生产领域,实现真正的无人生产。小米也透露,未来,小米的仿人机器人将融入小米制造、智能制造多个场景来做产业验证,进行规模化的验证,实现仿人机器人在制造场景当中的数据积累和模型迭代。

目前,通用人形机器人或许正在大规模商业化的前夜。从上面提到的优必选、小米、特斯拉三家代表性人形机器人企业的动向来看,三家企业在相关领域的商业化布局及技术积累进展较快。

据研究机构预测,至 2030 年,全球人形机器人市场预计达到 300 亿美金以上,从 2022 年-2030 年,年均增速约 52.2%。

人们希望人形机器人能够借由更低的成本和更智慧的大脑,进入家居、工业生产、迎宾等各个领域,替换只能进行简单操作的机器人,且能够更好地适应人类的环境。

人形机器人的通用性,在其中起到了关键作用。和一般机器人不同,人形机器人能够完成外界感知、双足行走、使用工具、行为交互等一系列任务,这所需要的技术不仅仅在机械一个领域。以特斯拉的机器人为例,有研究指出,其成本近 40% 来自于其 FSD 系统(完全无人驾驶系统,用于机器人的感知和任务规划)。

这些领域的技术,需要持续的长期的科研积累。《人形机器人技术专利分析报告》显示,2009 年以来,曾经在人形机器人领域独领风骚的日本专利申请量平缓发展,本田等公司的专利逐步失效——这从本田 2018 年放弃 ASIMO 机器人中可见一斑。

在行业原本的领头人放缓脚步的时候,中国却在迎头赶上。

《人形机器人技术专利分析报告》显示,自 2014 年起,中国的人形机器人专利申请增速显著,在十年的高速发展下,中国的企业现在已经站在比先发者更有优势的风口。以优必选科技为代表的企业和以清华大学、北京理工大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校为代表的研究机构起到了关键作用。

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人形机器人的核心技术更复杂

不同于工业机器人,人形机器人核心技术可分成本体结构、核心零部件、智能感知、驱动控制、支撑环境五个主要模块。

虽然核心零部件方面,人形机器人与工业机器人一样,需要使用减速器、伺服电机和控制器,但是人形机器人的整体技术更加复杂。

比如,人形机器人的一大难点来自于双足行走,在行走时能够保持一定速度的前行,同时维持平衡。这不但需要机械上控制器接受具体指令,伺服驱动器驱动电机、减速器等器件执行,如何执行需要驱动控制技术中的运动控制来判断,而能够平稳行走,也与本体设计中的关节和腿的设计有关。

「从 A 点到 B 点的移动,首先需要机器人对环境有一定感知能力,从而规划出一条合理的路线,使用运动控制算法测算出合理的「关节」力量配比,当机器人开始移动时还需要「关节」能够快速响应,准确地完成预期动作,」优必选科技 CTO 熊友军此前接受 21 世纪经济报道记者采访时表示,「几乎每一个环节都关系到不止一项复杂的核心技术。」

《人形机器人技术专利分析报告》将人形机器人关注的核心定义为稳定可靠、生动自然、准确精确、提高效率、智能化等几个重点。 很明显,在生动自然、稳定可靠和智能化方面,人形机器人需要具备的技术特点,不仅仅局限于机械上的能力。

从专利的不同技术分支的申请中,也可以看出这一点。自 2000 年后,人形机器人重点技术分支上升的最明显的,是本体结构部分(机器人的头部、肩颈、手臂、下肢、胸腹、关节和其他结构),其次是智能感知和驱动控制。

具体而言,在本体结构部分,关节和腿的研发占据了核心地位,在智能感知方面,专利主要布局在机器视觉、路径规划方向;在驱动控制方面,专利主要布局在步态控制方向。这与人形机器人的行走难点是一致的。

而核心零部件,虽然对于机器人的整体运作十分重要,但在人形机器人更为复杂的控制系统专利面前,专利数量整体反而显得较少,主要集中于减速器方向。

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数据来源:《全球人形机器人技术专利分析报告》

人形机器人的特点,注定需要人形机器人企业需要深耕全栈式技术领域。

事实上,全球知名的机器人公司,也都展示出了类似的趋势。包括本田、索尼在内的机器人公司,都是在全领域进行专利布局。

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数据来源:《全球人形机器人技术专利分析报告》

而在这个领域,来自中国的企业和高校表现同样十分亮眼。以优必选科技为例,其已经布局了人形机器人全栈式技术,包括机器人运动规划和控制技术、伺服驱动器、计算机视觉及语音交互技术、SLAM 及自主技术、视觉伺服操作及人机交互、机器人操作系统应用框架 ROSA。

因此,从报告中可以看出,在本体结构和驱动控制的专利申请数量上,优必选科技都排在了中国第一、全球第二的位置,在智能感知方面,也排在世界前列,这三个领域正是世界人形机器人专利最集中的领域,显示出其研究一直紧跟行业前沿,甚至处于引领位置。清华大学也在人形机器人的本体结构和驱动控制技术专利上位居世界前列。

而且,优必选科技在核心零部件上的专利申请上,也处于中国第一、世界第二的位置。行业普遍认为,在机器人研究领域,中国的视觉算法能力并不弱于国外,而核心零部件因为研发历史问题,在许多领域暂时不能做到国产化替代。而优必选科技通过自主研发,是世界上少有的可以完成小扭矩到大扭矩(扭矩从 0.2Nm 到 200Nm)伺服驱动器批量生产的公司之一。

人形机器人,从落后到领跑?

从过往历史来看,人形机器人是属于日韩和欧美的领域。尤其是日本,早在半个世纪以前,日本早稻田大学加藤一郎教授就在在 1973 年创造了 WABOT-1,这是世界上第一个完整的人形机器人。而在核心零部件上,如减速器上,日本的哈默纳科在谐波减速器中,纳博特斯克在 RV 减速器中,也几乎处于垄断地位。

这样的垄断趋势也在日本的专利申请中表现出来,2012 年到 2022 年,日本的人形机器人专利集中度在 80% 左右波动,显示出了很强的垄断度。

类似的情况在韩国和欧洲更甚。韩国的专利申请主要来自三星,此外还有部分来自韩国科学院和现代汽车,经过 2009 年至 2011 年的峰值期后进入下行阶段。法国专利申请人主要来自软银机器人欧洲公司和奥德巴朗,在 2015 年集中申请了一批专利后专利申请量再次变低。两个国家的专利集中度在 2022 年都达到了 100%。

美国的专利集中度虽然低于日韩和欧洲,也在 50% 上下波动。这些都显示出发达国家大公司在过去人形机器人上的深厚积累。

这与中国人形机器人产业产生了极大的对比。中国的人形机器人产业发展较晚,但近年来发展较快,无论是在核心零部件的国产化替代上,还是在机器人的本体结构、驱动控制上都在不断创新,涌现出了一批分散于各个产业的相关企业。

比如优必选科技,目前拥有的有效专利数已达世界第一,年均研发投入比例超过 50%。根据报告显示,优必选科技近五年年均申请专利数量接近 200 件,专利申请总量排名靠前的本田、丰田、三星、索尼等企业,近 5 年年均申请量以及占比均远低于优必选科技。

在企业外,如清华大学、北京理工大学、之江实验室等高校及科研机构,同样在近年的人形机器人技术专利申请活跃度上位居全球前列。

核心零部件方面,国产品牌市占率也在快速提升。包括双环传动、绿的谐波等公司研发的减速器,市场份额也在上升。

优必选科技 CTO 熊友军在接受采访时曾表示:「中国的机器人产业虽然和美国、日本相比起步较晚,但我们具有后发优势,整个产业链比较全,很多核心元器件在国内都有较好的供应商。」

这样的行业格局在专利申请中也能体现出来。2014 年后,中国的专利申请数量增多,而专利集中度则在 20%-30% 间波动,没有出现明显的垄断格局,显示出了很强的产业活力。

在这样的专利格局下,可以预测,在即将到来的人形机器人商业化浪潮中,产业活力极强的中国、积累深厚的日本和拥有特斯拉、Agility Robotics 这样推进量产的公司的美国将收获更多红利。

硬科技的商业化从来都是厚积薄发。正如比亚迪布局电动化汽车多年,才能取得现在的成绩。中国的人形机器人行业,未来或许有机会跑出一个新的「比亚迪」。

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