7月23日，《學(xué)習時(shí)報》刊發(fā)了中國科學(xué)院院士劉勝的最新署名文章《人形機器人走向大眾生活的技術(shù)密碼》，文章中，分析了加速人形機器人普及的數項核心技術(shù)和其中的研發(fā)難點(diǎn)，這些技術(shù)包括：柔性觸覺(jué)傳感器、壓力傳感器、AI芯片與多模態(tài)大模型、射頻濾波器、3D打印技術(shù)等。

《學(xué)習時(shí)報》于1999年9月創(chuàng )刊，由中共中央黨校（國家行政學(xué)院）主管主辦，面向全國，服務(wù)全黨，以各級黨政干部和廣大知識分子為主要對象，是國內外公開(kāi)發(fā)行的全黨專(zhuān)門(mén)講學(xué)習的報紙。

當前，人形機器人正以顛覆性姿態(tài)重塑未來(lái)圖景，憑借深度融合人工智能、高端制造與新材料等尖端科技，有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車(chē)后的顛覆性、平臺性產(chǎn)品，是全球科技競爭的新賽道。從靈巧抓取精密零件到自如穿越復雜地形，從精準感知環(huán)境變化到快速響應決策，這些令人驚嘆的“超能力”背后，究竟藏著(zhù)哪些核心技術(shù)密碼？

PART.1 柔性觸覺(jué)傳感器讓“靈巧手”更靈敏

人形機器人的靈巧手是其關(guān)鍵技術(shù)之一。業(yè)界常言“制造人形機器人，半數難度在靈巧手”。人類(lèi)手掌能憑借27塊骨骼、50余塊肌肉及100多個(gè)關(guān)節的協(xié)同，完成從捏取繡花針到搬運冰箱的極端操作。而機械靈巧手想要復刻這一生物力學(xué)奇跡，需在多重技術(shù)維度中實(shí)現精準平衡：材料要兼顧輕質(zhì)與耐磨耐腐蝕；傳動(dòng)系統需在高效率與高精度間抉擇；控制算法更要攻克多關(guān)節協(xié)同的復雜難題。

破解這一難題就要靠柔性觸覺(jué)傳感器的突破。作為靈巧手的“觸覺(jué)神經(jīng)”，其核心功能是通過(guò)導電橡膠、石墨烯薄膜等材料，像人類(lèi)皮膚般感知壓力分布、溫度及材質(zhì)。但傳統傳感器不僅響應速度慢、難以在毫秒級反饋觸覺(jué)信息，且耐溫性、耐久性較差，無(wú)法精準捕捉微小應力變化。

為突破上述困境，新型柔性觸覺(jué)傳感器通過(guò)柔性基底與微型化設計實(shí)現革新。其壓力響應靈敏度可達5毫秒，壓力測量精度誤差控制在0.1%—0.01%；封裝可靠性經(jīng)5.4億次壓力循環(huán)測試驗證，芯片失效率低于10ppm，并朝著(zhù)1ppb級目標邁進(jìn)，可滿(mǎn)足20年以上使用壽命需求。這些技術(shù)突破讓機械靈巧手逐步接近人類(lèi)手掌的感知與操作精度，為實(shí)現人形機器人的復雜任務(wù)執行能力奠定堅實(shí)基礎。

PART.2 壓力傳感器讓機器人“仿生腳掌”走得穩

人形機器人要實(shí)現類(lèi)人化運動(dòng)，不僅需要靈巧的雙手完成精細操作，更依賴(lài)“仿生腳掌”實(shí)現穩定行走。然而，平衡控制一直是全球人形機器人研發(fā)的核心難題，失衡、打滑、摔倒等狀況頻發(fā)。人類(lèi)行走時(shí)，足底神經(jīng)能實(shí)時(shí)感知地面硬度、坡度及細微變化并反饋給大腦；對機器人而言，由力傳感器構成的“腳底神經(jīng)”感知網(wǎng)絡(luò )，正是實(shí)現動(dòng)態(tài)平衡與環(huán)境交互的關(guān)鍵。但實(shí)際應用中，人形機器人面臨諸多挑戰，一顆小石子產(chǎn)生的瞬間沖擊力，或是從高臺跳下時(shí)的過(guò)載，都可能導致機器人失衡；同時(shí)，高成本、大尺寸、低抗振性等問(wèn)題，也制約著(zhù)力傳感器的普及。

如何解決呢？傳統壓力傳感器，要靠人工涂膠水把芯片粘在底座上，只能單個(gè)生產(chǎn)，不僅費時(shí)費力、成本高，做出來(lái)的傳感器還不夠小巧。并且，機器人一動(dòng)起來(lái)，膠水容易受熱變軟，導致耗電增加、數據不準，遇到撞擊還容易脫落損壞。人形機器人全身需要密密麻麻安裝上百個(gè)傳感器，這種傳統壓力傳感器顯然不適用。

為突破這些瓶頸，新一代力傳感器在制造工藝上進(jìn)行了革命性創(chuàng )新。摒棄傳統膠水連接方式，采用精密印刷工藝將感應材料附著(zhù)于金屬基材，并通過(guò)高溫燒結形成共晶層，實(shí)現材料的緊密融合。這一技術(shù)不僅讓傳感器體積縮小至傳統產(chǎn)品的1/50，更將抗過(guò)載能力從3倍提升至10倍，能耐受兩三百度高溫而不發(fā)生蠕變，確保電信號測量精準，使用壽命長(cháng)達20年。生產(chǎn)模式也從低效的手工涂膠單件生產(chǎn)，升級為自動(dòng)化批量印刷燒結，大幅降低成本，實(shí)現了低成本、自動(dòng)化、大批量、高效率、高一致性的生產(chǎn)。這項技術(shù)突破不僅讓人形機器人行走更穩健，更推動(dòng)了汽車(chē)傳感器等智能裝備領(lǐng)域的技術(shù)升級，打通了多領(lǐng)域技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新的通路。

PART.3 “大腦”與“小腦”的精密協(xié)作

人形機器人的大小腦控制系統，是實(shí)現人工智能技術(shù)的核心組件。“大腦”負責環(huán)境感知與決策，整合來(lái)自觸覺(jué)傳感器、攝像頭、激光雷達等設備的信號；“小腦”則專(zhuān)注于運動(dòng)傳感，控制動(dòng)作生成，主要依賴(lài)力傳感器與慣性傳感器的數據反饋。與人類(lèi)模糊的控制機制不同，機器人通過(guò)量化傳感數據并持續反饋，將復雜任務(wù)拆解為多個(gè)步驟，借助機器學(xué)習逐一完成。

人形機器人大腦模擬人類(lèi)的思考推理、交互溝通、任務(wù)理解與編排以及記憶能力，其核心技術(shù)依托高算力、高帶寬的人工智能芯片（AI芯片）與多模態(tài)大模型。然而，研發(fā)AI芯片面臨雙重挑戰：一方面需追求高AI算力，另一方面要保證高內存帶寬。先進(jìn)的芯片制程工藝雖能提升性能，但高密度設計導致功耗劇增；同時(shí)，多內存控制器的布局會(huì )占用大量芯片面積，難以實(shí)現合理配置。

要讓機器人像人類(lèi)一樣感知世界并快速決策，AI芯片必須同時(shí)滿(mǎn)足“算得快”與“傳得快”的要求。傳統芯片因中央處理器頻繁調用外部存儲器數據，存在能耗高、延遲大的問(wèn)題，如同廚師反復往返廚房與倉庫。為解決這一困境，芯片設計創(chuàng )新提出將外部存儲移至芯片內部，使計算在芯片內完成，從而簡(jiǎn)化系統、降低通信開(kāi)銷(xiāo)、提升通信效率和模型推理速度。三維堆疊技術(shù)的應用，突破了傳統芯片平面電路限制，通過(guò)減薄芯片并立體堆疊，增加集成度與內存帶寬，在提升AI算力的同時(shí)優(yōu)化芯片良率。這些技術(shù)革新為實(shí)現高效智能的機器人大腦奠定了基礎。

人形機器人的“小腦”承擔著(zhù)類(lèi)人運動(dòng)控制的關(guān)鍵職能。當大腦AI芯片通過(guò)感知系統完成決策后，需與小腦進(jìn)行高效通信，由小腦負責運動(dòng)傳感與動(dòng)作生成。其核心要求體現在三個(gè)方面：第一，精確控制能力。小腦需融合多種傳感器輸入數據，對多個(gè)自由度進(jìn)行綜合判斷與協(xié)調控制。要求將控制指令時(shí)延壓縮至毫秒級，周期性抖動(dòng)控制在微秒級，對電子器件與執行器的性能要求近乎極致。第二，高可靠性。為確保運動(dòng)穩定性，小腦需采用冗余指令機制，同一指令多次發(fā)送，避免因單次信號傳輸失誤導致動(dòng)作偏差，同時(shí)，核心部件需達到航天級低失效率標準，確保長(cháng)時(shí)間穩定運行。

當前機器人動(dòng)作生硬卡頓的根源，正源于“小腦”的指令頻率不足。若每秒僅發(fā)送一條運動(dòng)指令，機器人動(dòng)作必然呈現機械式頓挫；而當指令頻率提升至每秒1000次，實(shí)時(shí)反饋位置、速度與力度參數時(shí)，機器人動(dòng)作便可達到類(lèi)人的流暢絲滑效果。這意味著(zhù)，高性能的小腦芯片必須在快速響應、動(dòng)作連貫性與極端可靠性之間實(shí)現完美平衡，而攻克這些技術(shù)難點(diǎn)，正是推動(dòng)人形機器人運動(dòng)控制技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。

除了小腦芯片，與之匹配的運動(dòng)訓練模型也是機器人小腦系統迭代升級的關(guān)鍵。首先要利用人體虛擬現實(shí)技術(shù)在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行數據采集，然后在云端虛擬環(huán)境中通過(guò)強化學(xué)習進(jìn)行訓練，之后再將學(xué)習成果部署到真實(shí)物理實(shí)體。這種訓練方式有助于加快機器人的學(xué)習過(guò)程。武漢大學(xué)團隊通過(guò)16臺攝像機和三維測力平臺，逐幀模擬人類(lèi)行走的步態(tài)。當精密芯片遇上真實(shí)的人體運動(dòng)數據庫，機器人才能從機械的模仿者進(jìn)化成會(huì )運動(dòng)的生命體，才能真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。

PART.4 射頻濾波器——實(shí)現精準的通信功能

射頻濾波器是人形機器人實(shí)現精準通信的核心器件，其功能類(lèi)似收音機調臺——通過(guò)篩選有用信號、排除干擾信號，保障設備精準收發(fā)信息。一部手機通常需要50—100顆射頻濾波器芯片，其性能直接決定通信質(zhì)量。然而，該領(lǐng)域長(cháng)期被國外企業(yè)壟斷，他們憑借數十年技術(shù)積累構建了涵蓋材料、制造、算法的立體技術(shù)壁壘，國內企業(yè)面臨專(zhuān)利封鎖、設備落后、人才稀缺等多重困境。突破壟斷的關(guān)鍵在于技術(shù)創(chuàng )新。國外傳統濾波器采用不規則多邊形結構（已申請專(zhuān)利），但通過(guò)建模仿真發(fā)現其曲面不光滑、雜波明顯、性能欠佳。我們通過(guò)AI算法推理計算，創(chuàng )新性地提出水滴形濾波器結構——這一擁有自主知識產(chǎn)權的新型設計，不僅突破了專(zhuān)利封鎖，更實(shí)現了性能的顯著(zhù)提升，器件曲面光滑度與信號純凈度均達到國際領(lǐng)先水平。目前，武漢大學(xué)已申請相關(guān)專(zhuān)利348項（授權176項），并通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作孵化出完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)濾波器公司。同時(shí)，為加速高端濾波器國產(chǎn)化，我們正在構建全球化研發(fā)與生產(chǎn)體系。輕量化是必須跨越的門(mén)檻

PART.5 輕量化是必須跨越的門(mén)檻

人形機器人要真正融入人類(lèi)世界，輕量化是必須跨越的門(mén)檻。在工業(yè)制造、醫療護理等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，以及家庭服務(wù)、教育陪伴、養老照料等日常場(chǎng)景中，更輕的體型意味著(zhù)更低的能耗、更靈活的動(dòng)作和更高的安全性。然而，實(shí)現人形機器人“減重”面臨多重矛盾挑戰，既要保證機身強度，又要精簡(jiǎn)材料；既要集成更多傳感器，又要控制整體重量；既要提升續航能力，又不能使用笨重電池。3D打印技術(shù)為解決這一難題提供了創(chuàng )新路徑。自20世紀80年代3D打印技術(shù)發(fā)明以來(lái)，這項技術(shù)已發(fā)展成熟，其核心優(yōu)勢在于通過(guò)構建復雜輕巧的結構實(shí)現部件一體化打印，顯著(zhù)減輕重量；支持快速原型設計，加速創(chuàng )新迭代。但將3D打印應用于人形機器人制造仍存在三大技術(shù)挑戰：結構強度與疲勞性能保障（傳統拓撲優(yōu)化易產(chǎn)生內部缺陷，需確保機械強度、疲勞強度及抗沖擊性能）、工藝質(zhì)量控制（需解決風(fēng)場(chǎng)控制、形貌監測等問(wèn)題，避免未融合顆粒、氣孔、裂紋等缺陷）、承力件壽命管理（通過(guò)斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)研究，建立缺陷產(chǎn)生機理模型，實(shí)現缺陷精確定位與實(shí)時(shí)消除）。當前解決方案是將3D打印在線(xiàn)監測技術(shù)與激光強化技術(shù)結合，實(shí)現工藝過(guò)程可視化、質(zhì)量缺陷可檢測、力學(xué)性能可調控。該技術(shù)已成功應用于鐵基、鈦基、鋁基等合金材料的機器人部件制造，包括肩部支架、胸骨框架、小臂、大腿、手指及關(guān)節等關(guān)鍵承力結構，為人形機器人輕量化發(fā)展提供了可靠支撐。

PART.6 未來(lái)發(fā)展

全球正加速布局機器人產(chǎn)業(yè)，2025年被業(yè)內視為人形機器人商業(yè)化量產(chǎn)元年。我國作為全球領(lǐng)先的人形機器人生產(chǎn)大國，已在AI芯片、柔性關(guān)節、動(dòng)態(tài)平衡算法等領(lǐng)域取得突破。同時(shí)，憑借龐大市場(chǎng)需求、強大制造能力及產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，中國在基礎元器件制造、系統集成和場(chǎng)景開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域潛力巨大。

從發(fā)展階段來(lái)看，人形機器人需歷經(jīng)從全尺寸樣機初步行走，到系統高度集成突破，再到實(shí)現跑跳等高動(dòng)態(tài)運動(dòng)能力，最終邁向產(chǎn)業(yè)化落地的過(guò)程。面向未來(lái)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展遵循短期（5年）、中期（15年）、長(cháng)期（30年）的技術(shù)路線(xiàn)圖：短期以材料創(chuàng )新為核心，研發(fā)復合材料、高強鋼等輕量化高強度材料，同時(shí)提升電機、傳感器、芯片等關(guān)鍵部件可靠性，推進(jìn)通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成，實(shí)現基礎人機交互；中期致力于復雜環(huán)境自主感知、仿生材料（如仿生皮膚）應用及高承重任務(wù)執行；長(cháng)期目標則是實(shí)現類(lèi)人智能的自主學(xué)習與情感交互，賦予機器人多場(chǎng)景自適應能力。各階段均需同步推進(jìn)安全可靠性（自檢測/自修復）、協(xié)同技術(shù)（邊緣計算+5G/6G云端協(xié)同）的突破，以及應用場(chǎng)景從工業(yè)制造向家庭服務(wù)等領(lǐng)域的拓展。

未來(lái)，我們需進(jìn)一步聚焦核心零部件國產(chǎn)化、AI芯片研發(fā)及場(chǎng)景化應用創(chuàng )新三大方向，持續攻克“卡脖子”技術(shù)，實(shí)現從基礎材料到智能系統的全鏈條突破，推動(dòng)人形機器人從實(shí)驗室走向大眾生活，助力社會(huì )服務(wù)體系的全面智能化升級。

 

作者簡(jiǎn)介：

劉勝，中國科學(xué)院院士，武漢大學(xué)集成電路學(xué)院院長(cháng)、工業(yè)科學(xué)研究院執行院長(cháng)。長(cháng)期致力于芯片封裝及可靠性研究，推動(dòng)我國封裝技術(shù)實(shí)現從“跟跑”到“并跑”的跨越式發(fā)展。2024年，帶領(lǐng)武漢大學(xué)科研團隊成功研制出人形機器人“天問(wèn)”，突破了傳感器、靈巧手、仿生關(guān)節和芯片等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，為發(fā)展我國自主可控的人形機器人產(chǎn)業(yè)作出重要貢獻。2020年，獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。

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