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感知能力是机器人智能的一个重要前提。2024 年4月初，“2024 中国人形机器人生态大会”在上海举行。大会由中国机器人网和上海智能谷主办。会上，中国科学院院士褚君浩首先做了“人形机器人感知技术的发展与探索”的报告，主要涉及三个方面：①智能时代与机器人，②部分传感器的研究进展，③人形机器人的感知功能。

1 智能时代与机器人

现在人工智能（AI）大模型发展很快，通过输入一段文字，就能自动生成相应的视频。那么反过来行不行？一段视频能否变成文字，并且由语音播报出来？可能也行。这样对盲人就很有用处，盲人带上这种设备，把视频拍下来并解说出来，盲人就知道周围的情况了。

最近还出现了脑机接口，这意味着什么？会带来什么样的影响？可能带来很多影响，例如：

1）医疗能力爆炸。脑机接口技术有助于精准地调节大脑的化学物质，治疗抑郁症、焦虑症等心理疾病，甚至在更高级别上控制和优化人类的情感。

2）超感官体验大爆发，人类的感官和认知能力可以得到增强，例如可以直接从大脑接收和传递信息，提高记忆力。

AI与动作结合方面的发展很快，例如Figure AI公司的机器人，行动可以结合与人的对话。

可见，现在我们正从信息化时代向智能化时代迈进。智能时代的技术趋势有5 个：

1）智能化分布式能源系统、低碳技术、能源互联网；

2）智能化复杂体系、AI、智慧城市、ChatGPT、Sora；

3）智能化制造技术、先进材料、智能化升级传统工业；

4）智能化诊断、修复技术、智慧医疗；

5）脑机接口科学、AI for Science、AI融入物理世界。这5个方面将来有很多工作将由机器人/ 人形机器人取代。

智能化系统涉及多学科，向多领域应用、多方向延展，是科学与技术交叉推动的。例如同济大学TJArk( 同济方舟) 团队的足球机器人（注：2014-2023年蝉联RoboCup中国赛冠军）“看”得见球，因为有动态感知的五官；“大脑”能分析球从哪里过来；能采取措施处理球，所以是一种典型的智能化的人形机器人。一些聊天机器人也是如此：可以得到信息，经过分析再跟人对话。所以智能化的系统，诸如AI赋能的工业机器人、服务机器人、下棋机器人、手术机器人、ChatGPT、Sora等都属于智能机器人。

2 部分传感器的研究进展

传感器有很多种，诸如光、声、电、磁、热、机械、化学传感器，将来这些传感器有望安装到人形机器人上。因为人形机器人和机器人一样，要有信息感知，此外，还有大脑分析，最后还要有控制。

现代信息传感器很丰富, 例如红外、紫外、x 光、γ射线、压力、振动、声响、电磁、化学、生物、单光子等，同时还有多频谱范围的传感技术。还要发展单细胞、单分子、单原子、单光子信息传感技术。

有了传感器以后就得到了大数据。大数据是做分析的基础。AI的三个核心要素是数据、算力、算法，可见首先要有数据。而数据是靠传感器得到的，不是文本大数据，而是传感器实时采集的数据，可见传感器至关重要。

2.1 慧眼—光学传感器

从光学/ 红外的角度来看，要做慧眼——能够全天候拍照，非接触测温，通过光谱设备，最终希望能有孙悟空、二郎神那样的慧眼。

以电磁波家族的重要一员——红外线为例，红外传感器有两种形式：光热型，光子型。这两种形式有三大功能，图像（空间分布），热像（温度分布），谱像（光谱分布）。

1）图像。特点是可以在黑暗背景中识别图像，因此可以全天候拍照。在安检时，可以穿过人体，看人身上是否携带违禁物品——尽管x 光也可以做这件事，但是红外线对人体没影响。最近发生的俄乌战争，也用到了红外制导。

如果红外传感器放在气象卫星上，就可以白天和夜晚“看”到风云变化，使气象预报/ 台风预报很准确。例如我国的“风云4 号”气象卫星具有宽光谱探测分析系统，可在3 万6 千公里外对大气层实现高精度温度、湿度参数的垂直结构观测，相当于对大气层进行CT扫描。

2）热成像。因为对温度测得非常准确，而且是非接触式的，可以穿过烟雾，探测火焰温度分布。还可以发现夜里哪里有排污泄漏，哪里有电路短路，哪里的电子元器件失效了。

例如2019年巴黎圣母院失火，我国大疆公司制造的两架无人机进行了辅助观测，由于上面有红外相机，精准地“看”到哪里着火，从而帮助高效地把火苗灭掉。

3）谱像。光谱特征像指纹特征一样——每个人的指纹不一样，不同的材料/ 物质的光谱也是不同的，因此可以识别很多材料。

就像我们采集指纹一样，首先要做好数据库，然后就可以分析了。例如稻田的亩产可以达多少斤，通过光谱收集后，跟数据库一比对就可以预判。找矿也可以采用同样的方法，例如找铀矿，首先让无人机飞过，采集的光谱与铀矿的数据库进行对比就可以了。这种探测方法还可以用在月球和火星的勘探上——月球车和火星车上放了红外探测器，能采集光谱，就可分析星球表面的成分。

在生活中，这种“慧眼”的应用场景很多，例如“看”衣服的材质，知道衣服的棉、麻、涤纶等的比例。如果把目标对象改成人体，可以看到人体器官的结节，用于病理诊断。

机器人上也可以装上各种传感器，来获得人行动的一些信息，例如对抑郁症的诊断，通过瞳孔、脑电、表情、行为等影像来判定抑郁症的严重程度。例如北京理工大学医学技术学院的胡斌教授团队做了一种小设备“精神状态评估与干预系统设备”，如果这种小设备放在人形机器人上，可以边走边看周围的人是否患有抑郁症，如果有，严重程度如何。

2.2 狗鼻子—化学传感器

现在还有气体传感设备，例如气体分子传感器可探测沙林毒气与炸药。通过荧光猝灭效应，正常时可发出荧光，但是如果有TNT，荧光就猝灭了，用这个原理可以做成TNT 报警器。有 时狗不能发现炸药，但是用“狗鼻子”产品来一照就能发现，这种“狗鼻子”可做得很小。这种嗅觉也是非常重要的。如果人形机器人能够有嗅觉，将非常有用。所以嗅觉现在也是一个研究的热点。

3 传感器赋能机器人/人形机器人

智能时代的机器人要有4 种模块：环境感知模块，智能芯片模块，运动控制模块，操作系统模块。

环境感知就是靠传感器。所以真正的人形机器人应该能够具有人的五官的特点，能够感受图像、压力、声音等。例如机器人被人推一下，能马上站稳，说明上面有传感器。如果触碰它的手，它应该有触觉反应。

传感器有很多种。

1）力矩传感器。

2）触觉/ 压力传感器，其中有压阻型、压电型、压容型的、摩擦电型。MEMS 压力传感阵列已成熟，柔弹性的电子皮肤正在新兴发展。

所以人形机器人中，非常重要的是要研究它的元部件及功能，每个元部件都要研究的水平很高，再集成起来功能就强大了。例如上海大学自主设计并异质集成出首款基于氧化物TFT 的64 通道肌电传感器阵列，实现了高信噪比（37.5 dB），多通道手势识别率高达97.4%，可以用在假肢上。

3）视觉传感器。可以有激光雷达、深度相机、双目视觉，研究的热点有感算一体、仿生感光、低功耗芯片，市场规模非常可观，预计国内2025 年有347 亿元，在国外有1276 亿元的市场规模。

4）惯性传感器：加速计+ 陀螺仪是测量加速度、角速度、倾斜角度的重要方法。可以进行姿态控制，是双足行走的关键部件。集成磁传感器进行定位，发展了惯导传感器。机器人中需要多个这类传感器，但产品主要被国际寡头垄断，我国头部企业在全球市场的份额不足2%。

人形机器人里需要大量的传感器，需要产学研结合，把每个部件都能研究好，而且做出来。

进博会有很多机器人的应用案例，例如2022 年美敦力做的机器人辅助手术系统，波士顿科学做的植入式脑神经刺激系统，爱灵必的仿生手，还有欧姆龙第七代乒乓球教练机器人等。在AI 方面，2019 年英飞凌推出了Roboy机器人，具有听视觉和感知的神经网络系统，德国卡赫的AI智能清洁机器人，还有蔡司的数字导航手术显微镜ARTEVO 800，2021 年强生推出的数字化手术平台等很多数字化手术平台。

机器人/人形机器人的发展方向是要有一定的场景应用，把核心、基础的元器件要做好，然后进行集成。场景可以是“服务机器人+ChatGPT”的方式。例如“扫地机器人+ChatGPT”对话，也许很受欢迎，因为我国是老年社会，年纪大的人养条狗很麻烦，买个机器人，只要价格在1 万~10 万，生意可能很好。

医疗机器人的用途更多，可以是手术机器人、康复机器人等。

教育机器人：家长买回来以后，小孩不用去培训班了，它跟小孩说话，帮助小孩学习，一道题做错了，知道小孩哪些知识点没掌握好。

所以产品一定要和场景结合。再例如，消防员的工作很危险，汽车制造厂的喷漆工作辛苦，希望由机器人替代。消防员机器人的“衣服”不怕火烧，眼睛是红外的，在烟雾里能知道火源在哪里，而且在烟雾里也能看见人。

人形机器人有三大支柱：感官- 识别，大脑- 分析，四肢- 行动。需要把这三大方面的元部件做好，然后把感知、分析、行动融合，集成到人形机器人里。但是不可能做成一个完人——像我们人一样，能下象棋，回到家里还能烧饭烧菜——这是完整的智能。人形机器人希望先做成部分智能，能做好一两件事。

1） 程序化人形机器人，从单一的功能扩展到多功能。

2）智能化人形机器人，从单一智能发展到多智能。要发展场景牵引的动作与对话相结合的智能化人形机器人，例如家务机器人、教学机器人、消防员、交通警、士兵、值班员、驾驶员、操作员、乒乓球教练等。如果针对某一场景，只具有一种功能，就会带来可观的市场需求。所以机器人行业在未来的智能时代里将是非常主流的行业，会有许多商业发展的可能性。

4 结束语

我国非常重视机器人/ 人形机器人的发展，举办生态大会可以促进元部件/ 硬件、软件和集成的参与者交流。期望在未来几年里，通过“政产学研用”五个方面的结合，把机器人/ 人形机器人这个巨大的产业机会/市场做得非常好。

（本文来源于《EEPW》2024.6）

关键词： 202406 人形机器人 感知