浪潮资本

2023-12-14

导读：以后，机器人可以像人一样拥有骨骼、肌肉和韧带

想象下，未来的人形机器人不再是冰冷的钢铁，而是可以像人类一样拥有骨骼、肌肉、韧带，可以实现高弹性、柔软安全交互的亲密伙伴。近年来，世界各国随着新型材料和新型传动系统取得了一系列的研究突破，科学家们正在让它变为现实。

#01 Clone robotics

2022年，美国的Clone Robotics制造了一个由分体部件组装而成的仿真机器人。这家初创公司的愿景是以极低价格大批量制造仿真机器人，并承担所有不适宜人类进行的高强度、高危险性的工作。Clone认为，实现这一目标的关键是使机器人在身体构造上尽可能接近人类。为此，公司正在努力解决人体中最难以复制的部分——手臂。

在今年2月份，Clone展示了其研发的第18代合成手，与人类的手一样，这条手臂由人造的骨骼、韧带和肌肉构成。因此，它具有27个可活动关节，这使得它能以极为接近人的方式活动；包括手的36块肌肉在内，手的其余部分均由柔软材料制成，这些肌肉是通过液压系统进行控制。

Clone 有两种驱动装置，一种是水驱动液压方式，另一种是电动的，其中电动结构由几个网管和充满乙醛的气球支撑，只需通过电流，这种化学物质就可以使气球内的大气压力增加六倍以上。通过这种方式，机器人手的创造者能够产生所需的气动压力来移动其不同的部分，而无需使用任何重型外部气泵，随着气球内部压力的变化，网管会相应地收缩或膨胀。

Clone已经在研发下一个身体部位——仿真躯干。躯干将由坚硬的脊椎、可活动的颈部、带有手的双臂和124块肌肉组成，计划是将整个躯干放在现成的可移动平台上，Clone表示已经有116个客户预订了仿真躯干产品，多数客户来自劳动力密集产业。

Clone 团队希望他们的人造手可以用作在家庭、工厂和实验室中执行各种任务的器具；期待未来真正实现“克隆保姆”、“克隆厨子”走进千家万户。

然而，目前由于控制装置过于复杂，需要配备动力源、泵、蓄能器、电磁阀、传感器、管路等一系列装置，且液压源、气压源体积较大，暂时没有看到成熟的商业化落地方案，其次，电驱方案中换能装置是电热及乙醛，而乙醛具有毒性致使这个方案面临量产困难等问题。

#02 Roboy

Roboy Junior第一代是慕尼黑技术大学和瑞士机器人团队Devanthro共同研发的机器人，具有腱、肌肉和骨骼。

“Roboy的目标是将机器人拥有人体的能力，这个愿景是迭代改进Roboy模型，直到其性能与人类在灵巧性和灵活性上相当。”通过Roboy Junior，Devanthro和TUM已经进一步使这个愿景成为现实。

Roboy 2.0

2019年，第二届中国进口贸易博览会上，工程师通创新的设计和超现代化的技术加工工艺等一系列创新方法，在Roboy上重现了人类的骨骼、肌肉和肌腱。

研发人员为Roboy2.0装载了一套发达的神经网络系统，赋予了他听觉、视觉和感知功能，其中胸部集成了具备语音识别功能的麦克风，肩部配置有磁性传感器，手部则将雷达传感器嵌入；在未来的Roboy 3.0上，他的双脚将会搭载英飞凌的60GHz雷达传感器，行走时能够判断路面的材质，并调整自己行走的姿势和步调，同时还拥有丰富的表情和模仿人体的骨骼和肌肉。

除此之外，在控制方面，roboy设计团队通过神经网络技术对关节空间进行控制，训练其肌肉运动轨迹，使模型表现得尽可能接近人体。Roboy团队对于Roboy规划定位非常宏伟，他们认为未来可以把Roboy做的和人一样好，而且在多种职业上可以很好地代替人类，比如未来会出现Roboy服务员，Roboy厨师在人们的身边。

Roboy 3.0

Roboy 3.0不仅仅是其前身的进化，它重新定义了机器人身体的含义；上身运动跟踪操作员的位置被机器人跟踪和反映，以获得真正的身临其境的感觉；以低延迟传输立体图像，沉浸式双目视觉使得它不仅拥有视觉，还可以实现双向音频同步，通过机器人说话、反馈，可同时基于GPT对话管理器实现交互。

特别是在人类和机器人近距离工作的情况下，Roboy3.0采用柔顺的肌肉骨骼设计，通过广泛使用弹性材料来模拟肌肉和肌腱，从而提高机器人在不确定环境中的安全性、灵活性和适应性。它还可以减少车身重量和开发成本，同时增加设计灵活性。

Roboy3.0成为了一名零售销售员，在新开的the Latest概念店进行展示，但因为整体关节自由度不高，目前能完成的动作较为有限，主要还是以展示功能为主。

#03 Kenshiro

日本东京大学稻叶雅幸教授团队打造了名为“Kenshiro”的机器人，是一个拥有160块肌肉的人形“骷髅机器人”。它能模仿人体多数肌肉组织，约配置100个电缆和电机，模仿数十个肌肉结构。后续模拟了12岁日本男孩的身材和身体的动力学结构，身高158cm体重50公斤，身体几乎包含了人类身上的主要肌肉群，拥有多达160块肌肉，分别在腿上安装了50块、躯干上76块，和脖子上的22块。

它的肌肉由下图这样类似滑轮组的结构构成，虽然外形比较扁宽但是仅仅需要一个电机就可以驱动。这些电机为整个机器人提供了64个自由度，包括脖子的13个，手臂的13个，腿部的7个，腰背部的11个。脖子上的自由度足以支持机器人模仿人类完成很多复杂的动作了。

它的骨头由如下结构构成，由铝合金构成的关节强度十足，并且在膝关节处安放了十字型的韧带和半月板，增加了整个结构的灵活性。

团队研制出可以模仿人类肌肉纤维动作的纤维管，用一种纳米级的网状合成纤维附着在1.2毫米的橡胶软管上，一把把的橡胶软管完全模拟人体不同的肌肉群，通过不同捆束的橡胶软管之间的相互配合，做到了踢球、抬胳膊等高难度的动作

这个名为Kengoro（腱悟郎）的人形机器人由东京大学JSK研究所开发第五代机器人，完全模仿人类的身体构造，不仅拥有仿人的骨骼，还有仿人的肌肉收缩结构，为了散热，还模仿了人类出汗的本领。

Kengoro机器人靠一杯去离子水，可以正常运转半天。它也像人类一样，要保持自己不缺水来保持体力，它可以持续做11分钟的俯卧撑而不烧坏它自己的电机。

Kengoro的关节部位装有传感器，这些传感器能够收集周围环境的信息，帮助它更好理解人类的动作

#04 ECCE robot

瑞士苏黎世大学搭建了世界上第一个拥有“肌腱”和“骨头”的机器人平台ECCE Robot，相关研究成果在2010年获得美国Popular Machanics报道，列为2010年10大创新概念首位。

ECCEROBOT由欧盟资助的项目,目标实现真正类人的仿生机器人。根据设计，Ecce robots使用一系列电动马达来驱动身体各个关节运动。而一台充当其大脑的计算机则能够在自己所犯错误中进行学习。如果某一运动导致它摔了一跤，或者掉落手里拿着的东西，它的“大脑”就会收集这些信息并进行分析，以避免下次再犯同样的错误。除此之外，尽管它只有一个眼睛，但它也拥有和人类类似的视觉功能。

#05 Festo

德国Festo仿生机器人公司研发的机器人，从材料、动力、能源效率等多方面进行优化，最终目的是在能源使用效率上进行提升。整体上肢由人造骨骼和肌肉组成，骨骼与肌肉结构完全按照人体骨骼构成，“肌肉”即是用“气动肌腱”产品构成，有助于控制设备的刚度和力度。

其中，30个气动肌腱控制人工骨骼结构。这一骨骼结构与人体一样由尺骨、桡骨、掌骨和指骨，以及肩膀球窝接头和肩胛骨组成。同时使用压电比例阀精准控制气动肌腱。仿生肌肉主要由中空的人造橡胶缸筒构成，内部嵌有尼龙纤维。当气动肌腱内充满空气的时候，其直径增加，长度缩短，形成一种流畅的弹性运动，其具体形状通过计算机设计得到。

#06 月泉仿生

月泉仿生依托吉林大学和曼彻斯特大学的国际一流科研团队和实验室以及院士教授团队，首创“仿生拉压体机器人”理论，引领仿生科技发展。新型机器人具备“仿生拉压体关节”，该关节模仿并利用了人体关节的“机械智能”特性，使其在具备较高运动自由度的情况下，同时兼顾稳定性，并且能够实现关节刚度的快速自适应调节，采用具有“驱动传动一体化”特征的高效柔性驱动部件作为动力源，克服传统关节驱动机器人的缺点，使机器人具备与人相似的运动特性，同时使机器人实现与环境的安全交互，并且其运动能耗指标CoT仅为人体的1-2倍，真正使人形机器人从幻想走入现实。

高度类人的仿生智能灵巧手，采用拉压体驱动技术，内置柔性传感器，具有触觉神经反馈，在外力作用下灵巧手可以主动进行移动、屈曲、翻转等动作调整，同时保持手持物体不掉落。除了基础的抓、握等动作外，灵巧手还可以完成27种不同的手部复杂精细操作，例如使用筷子夹取细小物体、涂抹护肤品、搅拌咖啡、刷手机等等，足以应对各类日常生产生活场景需要。

仿生机械臂同样采用拉压体驱动技术。传统工业机械臂的优势在于其准确性和静态受载能力，能够很好地满足标准化的工业生产需要，但相比于人体手臂而言，其在柔韧性、灵活性、主动输出力/扭矩等方面则有明显不足，缺乏泛化能力，无法应对复杂的非结构化场景。有鉴于此，月泉仿生以人体手臂为蓝本，开发了能够在狭小空间内完成屈曲、内外旋等多自由度连续运动的仿生机械臂，极大缩小了机械臂的体积，并与仿生手组成了完整协调的运动系统，制造出了高度仿人的机械臂。未来这一产品将瞄准家庭、看护、科学实验和非标生产市场。

公司从今年6月正式运营以来，相关技术产品已签署近千万订单，商业化速度发展迅速；未来，月泉仿生不仅将在人形机器人整机技术方面进行布局，也将成为该领域核心部件和关键技术的供应商，推动整个行业的前进和发展。