電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）北京時(shí)間4月19日7時(shí)30分，北京亦莊半程馬拉松暨人形機(jī)器人半程馬拉松在南海子公園南門開跑，這也是全球全球首個(gè)人形機(jī)器人半程馬拉松，共有20支人形機(jī)器人賽隊(duì)參賽，涵蓋北京、上海、江蘇、廣東等地的企業(yè)、高校及科研機(jī)構(gòu)。

經(jīng)過激烈的角逐，來自北京亦莊的“天工Ultra”以2時(shí)40分42秒的成績沖線，奪得全球首個(gè)人形機(jī)器人半程馬拉松賽事桂冠。另外，亞軍“小頑童”和季軍“旋風(fēng)小子”都來自松延動(dòng)力團(tuán)隊(duì)，該戰(zhàn)隊(duì)來自北京昌平。

“天工Ultra”用時(shí)2小時(shí)40分鐘

針對當(dāng)前人形機(jī)器人發(fā)展的具體情況，這次人形機(jī)器人半程馬拉松比賽為了保證公平公正，有一些專門的條例。比如，組委會(huì)允許機(jī)器人在中途更換電池，但更換時(shí)間會(huì)被記錄在總成績內(nèi)；若機(jī)器人出現(xiàn)故障，隊(duì)伍可在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行維修，但維修時(shí)長同樣會(huì)計(jì)入比賽用時(shí)。

最終，“天工Ultra”人形機(jī)器人以2小時(shí)40分鐘的成績奪得了第一名。天工Ultra是由北京人形機(jī)器人創(chuàng)新中心研發(fā)的人形機(jī)器人，系該機(jī)構(gòu)去年4月發(fā)布的全國首個(gè)通用機(jī)器人平臺(tái)“天工”迭代升級(jí)版，其身高 180cm、體重 52kg，能在斜坡、樓梯、草地、碎石、沙地等多種地形平穩(wěn)移動(dòng)，具備帶有視覺感知的泛化移動(dòng)能力，能輕松應(yīng)對溝壑、大高度差等復(fù)雜地形，并擁有強(qiáng)大的抗干擾能力，受外力沖擊依然能保持穩(wěn)態(tài)。

“天工Ultra”實(shí)測平均時(shí)速可達(dá)10km/h，最高奔跑速度已提升至全球領(lǐng)先的12km/h。“天工Ultra”人形機(jī)器人項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，“為參加馬拉松，我們需要本體、運(yùn)控、具身智能等各部門的工程師和研發(fā)人員一起協(xié)同攻關(guān)。”“過程中，我們除了在室內(nèi)和仿真環(huán)境中測試，還要去戶外實(shí)測，以保障‘天工Ultra’能在競賽中取得好成績。”在此前的實(shí)地適應(yīng)性測試中，“天工Ultra”一共用2小時(shí)52分鐘跑完半馬全程，還順利完成了一次5公里彩排。這一次半馬比賽，“天工Ultra”不僅刷新了自己的“個(gè)人最好成績”，也獲得了冠軍。

對于“天工Ultra”奪冠，天工隊(duì)發(fā)言人魏嘉星說：“為在此次馬拉松中取得優(yōu)異成績，我們攻克了本體的穩(wěn)定性、輕量化設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)長時(shí)間運(yùn)動(dòng)易發(fā)熱等硬件難題，還通過優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制算法進(jìn)一步增強(qiáng)了關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)能力、步態(tài)協(xié)調(diào)能力和復(fù)雜地形通過能力等。參賽過程中‘天工Ultra’的配速為7-8千米/時(shí)。”

人形機(jī)器人仍存在一些核心挑戰(zhàn)

不過，從整個(gè)賽程來看，即便是這一次奪冠的“天工Ultra”依然暴露出一些人形機(jī)器人發(fā)展的共性問題。

在比賽過程中，為了能夠保證機(jī)器人順利完賽，“天工Ultra”使用電池快換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間作業(yè)的續(xù)航能力。根據(jù)半馬排位賽上的測試成績，“天工Ultra”一公里的時(shí)間是7分鐘整，電量消耗為16%。從賽程規(guī)則和具體進(jìn)程來看，目前所有機(jī)器人的續(xù)航能力都無法應(yīng)付一場半馬，而這些還是專門優(yōu)化過的人形機(jī)器人，在電池續(xù)航、低功耗和整體重量方面進(jìn)行了調(diào)優(yōu)。出于成本的考慮，現(xiàn)階段的人形機(jī)器人如果想長時(shí)間工作，幾乎還是需要依賴限制活動(dòng)半徑的電纜。

而人形機(jī)器人的續(xù)航挑戰(zhàn)是制約其商業(yè)化落地的核心瓶頸。從當(dāng)前的情況來看，人形機(jī)器人的仿生結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其能耗遠(yuǎn)超傳統(tǒng)輪式或四足機(jī)器人。Figure AI公司發(fā)布的Figure 02人形機(jī)器人搭載2.25 KWh（千瓦時(shí)）的電池組，一次充電可以運(yùn)行5小時(shí)，這已經(jīng)是行業(yè)領(lǐng)先的水平。根據(jù)TrendForce此前的調(diào)研，當(dāng)下人形機(jī)器人續(xù)航時(shí)間在2到6個(gè)小時(shí)之間，需要至少1小時(shí)的充電時(shí)間。電池快換技術(shù)是一種折中的比賽方案，在家居、服務(wù)等場景里難以落地。

而從目前人形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)來看，耗電單元數(shù)量優(yōu)化的空間是比較小的，算力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)是主要的耗電單元。人形機(jī)器人通常需要 40-60 個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的峰值功率可達(dá)數(shù)千瓦，例如搬運(yùn)重物時(shí)單腿電機(jī)瞬時(shí)功率可能超過 10kW。因此，從功能單元來看，最現(xiàn)實(shí)的優(yōu)化路徑是低功耗技術(shù)，也就是持續(xù)降低處理器、控制器和驅(qū)動(dòng)器的功耗水平。

當(dāng)然，另一個(gè)比較有效的方式是優(yōu)化電池。中國信通院在其發(fā)布的《人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2024年）》中指出，目前人形機(jī)器人主要的電池方案是鋰離子電池，但其在能量密度、循環(huán)壽命等方面仍無法滿足未來人形機(jī)器人長時(shí)間、高負(fù)荷工作的要求，研發(fā)高能量密度電池技術(shù)是未來的大方向。

當(dāng)前，針對人形機(jī)器人的電池革命正在進(jìn)行中，有很多積極的進(jìn)展。比如，廣汽 GoMate 搭載全固態(tài)電池后續(xù)航達(dá) 6 小時(shí)，相比傳統(tǒng)鋰電池提升 3 倍，同時(shí)寧德時(shí)代、億緯鋰能等企業(yè)計(jì)劃 2026 年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)，能量密度目標(biāo)達(dá) 400Wh/kg，可顯著提升人形機(jī)器人的續(xù)航水平；豐田正在研發(fā)氫燃料電池人形機(jī)器人，理論續(xù)航可達(dá) 12 小時(shí)，但氫燃料儲(chǔ)存和加注基礎(chǔ)設(shè)施尚未完善。

除了續(xù)航，我們還需要注意到人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)件在長時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)之后的穩(wěn)定性表現(xiàn)。在北京亦莊人形機(jī)器人半程馬拉松上，有機(jī)器人在跑步的過程中掉了頭，有機(jī)器人隨著比賽進(jìn)程的深入變得步履蹣跚。這些問題都和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)。

以驅(qū)動(dòng)電機(jī)來說，電機(jī)在高頻次、高負(fù)載運(yùn)動(dòng)中持續(xù)發(fā)熱，若散熱不足會(huì)導(dǎo)致繞組絕緣老化、永磁體退磁，進(jìn)而引發(fā)扭矩衰減或控制失準(zhǔn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里的編碼器等位置傳感器，在長時(shí)間的作業(yè)過程中，可能會(huì)因安裝誤差、長期振動(dòng)導(dǎo)致的基準(zhǔn)偏移，或機(jī)械結(jié)構(gòu)松弛，會(huì)使關(guān)節(jié)實(shí)際位置與控制指令不符，引發(fā)步態(tài)失穩(wěn)。

再看一下關(guān)機(jī)方面，在行走、跳躍等動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中，關(guān)節(jié)需要承受交變載荷，導(dǎo)致關(guān)節(jié)連接件易發(fā)生疲勞裂紋，尤其在輕量化設(shè)計(jì)，應(yīng)力集中的問題是較為顯著的。還有關(guān)節(jié)潤滑脂在長期運(yùn)動(dòng)中會(huì)因溫升、粉塵污染或密封失效而流失，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大，加劇部件磨損，同時(shí)產(chǎn)生額外功耗和振動(dòng)噪聲。另外，齒輪箱的齒面磨損、軸承游隙增大，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)間隙累積，使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精度下降，引發(fā)振動(dòng)或步態(tài)失衡。

這些問題實(shí)際上在此次人形機(jī)器人半程馬拉松上都暴露了出來，這也是仿生型人形機(jī)器人目前面臨的主要挑戰(zhàn)之一。人形機(jī)器人的長期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需要從部件可靠性、系統(tǒng)控制、材料創(chuàng)新、智能運(yùn)維四個(gè)維度協(xié)同突破，此次“天工Ultra”針對馬拉松場景的優(yōu)化就比較成功，但要在泛化場景中有著穩(wěn)定的表現(xiàn)，還需要針對性優(yōu)化和自適應(yīng)算法相結(jié)合，進(jìn)而讓人形機(jī)器人在通用場景里都有穩(wěn)定表現(xiàn)。

結(jié)語

北京亦莊人形機(jī)器人半程馬拉松的鳴槍與完賽，是全球人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一座里程碑。當(dāng) “天工 Ultra” 以優(yōu)化后的步態(tài)跨越終點(diǎn)，我們看到了具身智能從實(shí)驗(yàn)室走向真實(shí)場景的扎實(shí)進(jìn)步。不過，我們也不能忽視人形機(jī)器人存在的續(xù)航短、能耗高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足等核心瓶頸，隨著技術(shù)進(jìn)步，相信這些難關(guān)都會(huì)被克服，人形機(jī)器人必將邁向家庭服務(wù)、工業(yè)協(xié)作、公共安全等更廣闊的應(yīng)用天地。