文|智東西 程茜
編輯|心緣
智東西10月1日報道，北京時間9點19分，一個全身裸露電線的人形機器人緩緩走上特斯拉AI Day 2022的舞臺，向現(xiàn)場觀眾揮手打招呼。
去年8月，特斯拉CEO馬斯克在第一屆特斯拉AI Day上重磅公布特斯拉首款人形機器人“擎天柱”（Optimus）的概念圖。今年，為了讓人形機器人順利發(fā)布，馬斯克將“特斯拉AI Day”從原定的8月19日推遲了40多天！
今天，“擎天柱”終于從一個身著白衣、頭戴黑面紗的真人扮演者變成了真的機器人，馬斯克的“造人夢”照進了現(xiàn)實。
“我們的目標(biāo)是盡快制造出有用的仿人機器人?！瘪R斯克說，擎天柱將是一種“能力極強的機器人”，產(chǎn)量非常高，最終將生產(chǎn)數(shù)百萬臺，并且預(yù)計成本將遠低于汽車——不到2萬美元。
按其說法，擎天柱最初會從事一些枯燥或危險的工作，比如在特斯拉工廠周圍移動部件，或用扳手給汽車安裝螺栓。按照馬斯克的設(shè)想，未來機器人還可以用于家庭、做飯、修剪草坪和照顧老人，乃至成為人類的“伙伴”或伴侶。
同時馬斯克談道，要完善并證明擎天柱，還有很多工作要做。
他還在活動期間發(fā)推文，透露擎天柱機器人將會有“貓女版”。
01 能澆水、送物、流水線工作6個月推出原型機
完全體的特斯拉人形機器人“擎天柱”體重73kg，用電功率在靜坐時為100W，快走時500W，全身有200多個自由度，手部27個自由度。馬斯克稱，一個人形機器人的成本大概在2萬美元之內(nèi)，遠低于一輛汽車。
在現(xiàn)場，馬斯克展示了工程版“擎天柱”，全身裸露天線的“擎天柱”初始版走下臺后，一段視頻中展示了人形機器人的才藝。
在特斯拉工廠內(nèi)，“擎天柱”可以搬起印有特斯拉標(biāo)志的箱子，并將其運送到其他地方。
“擎天柱”能夠拿起放在桌子上的水壺，然后行走至辦公室內(nèi)的花草種植區(qū)，為花草澆水。其中，渲染的圖片就是機器人的“視角”，看起來除了色彩差異與人類正?？吹降膱D像內(nèi)容沒有特別大的區(qū)別。
在工廠里，機器人能將一個長條狀的物體從工作臺拿下來，再整齊排放至裝有相同物體的盒子中。在機器人視角的渲染圖中，它能夠用顏色區(qū)分開現(xiàn)實世界中的不同物體。如它手持的長條形物體是紫色、工作臺是黃色等。
隨后，一臺更像人的“擎天柱”被推上現(xiàn)場，它同樣可以張開雙手或抬起右手，向臺下緩慢打招呼。
真機版本的“擎天柱”因為腳下有支撐裝置，還可以同時抬起雙手雙腳。
不過，與初始版本不同的是，優(yōu)化版“擎天柱”并沒有在現(xiàn)場走動，而是全程由工作人員搬運。
在過去的四個月里，特斯拉的人形機器人就一直在辦公室內(nèi)四處走動。
現(xiàn)階段，特斯拉人形機器人項目從去年2021年AI Day上的概念圖，到今年2月，短短六個月就推出了原型機，現(xiàn)在已經(jīng)有近似完全體的新一代“擎天柱”亮相。
特斯拉第一代機器人從概念、設(shè)計、分析、建立、優(yōu)化、驗證經(jīng)過了反復(fù)驗證，對于這一新物種來說，擁有較低的成本和較高的工作效率也正是驗證這一產(chǎn)品是否能真正推向市場的關(guān)鍵。
02 以汽車設(shè)計過程為基礎(chǔ)優(yōu)化調(diào)參至機器人平臺
擎天柱的設(shè)計是以特斯拉此前積累的車輛設(shè)計過程為基礎(chǔ)。
人類可以吃少量的食物來維持能量，因此為了減少機器人上消耗的能力，特斯拉將人形機器人在空閑時消耗的能量降到最低，只需要按下開關(guān)就可以調(diào)節(jié)其處于低電量或者正常工作的狀態(tài)。
1、電動和控制系統(tǒng)：28個驅(qū)動器+2.3kWh的電池組，可工作一整天
從其概念圖中可以看到，整個機器人包含了28個電動驅(qū)動器（橙色）和電池及控制模塊（藍色）。
“擎天柱”身體中間有2.3kWh的電池組，工作電壓為52V，能支持人形機器人工作一整天。這個電池組的獨特之處在于，它把所有的電池電子都集成到了一起，傳感器融合電荷管理等，利用汽車和機能源產(chǎn)品將其融合到一起。這也是特斯拉流線型制造的高效之處。
除技術(shù)外，當(dāng)然也離不開特斯拉強大的基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈。
特斯拉機器人使用了單顆特斯拉自研SoC芯片，不同于特斯拉在汽車上使用的雙芯片自動駕駛方案。
與汽車不同，機器人需要處理視覺數(shù)據(jù)做出迅速反應(yīng)、基于多種感官輸入和通訊，因此裝有無線電連接、音頻支持以及需要保護機器人本體和人類的安全特性。
2、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計：量化人體運動軌跡、力度，機器人行動更靈活
特斯拉有能力完成高度復(fù)雜的系統(tǒng)。如人們在駕駛時遇到的突然撞擊，汽車做出相應(yīng)反應(yīng)的過程。因此，為了保護機器人，研發(fā)人員對其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進行了優(yōu)化，在人形機器人摔倒時不會把變速器和胳膊弄壞，就可以將這一技術(shù)應(yīng)用到機器人之上。畢竟一臺機器人的維修成本很高。
研發(fā)人員采用了與汽車相同的底層技術(shù)，讓機器人在所有組件中產(chǎn)生壓力，使得其行走控制變得更加容易，也不會那么僵硬。
以膝蓋為例，人形機器人在設(shè)計時需要仿照人類真實的膝蓋結(jié)構(gòu)。
研發(fā)人員將人類的膝蓋和其運動過程中所受的力線性化，從而學(xué)習(xí)如何讓機器人膝蓋使用更少的力來構(gòu)建，讓其能實現(xiàn)更好的力度控制，并讓相關(guān)結(jié)構(gòu)緊密的包裹在膝蓋周圍。
3、機械驅(qū)動系統(tǒng)：解析云端數(shù)據(jù)，輕松定制28個驅(qū)動器
汽車和機器人在動力設(shè)計上有很多相似之處，因此，特斯拉在動力設(shè)計上的經(jīng)驗可以應(yīng)用到機器人上。
汽車的驅(qū)動單元是為了讓汽車加速，機器人有28個關(guān)節(jié)驅(qū)動器，和汽車的驅(qū)動器在數(shù)量上相比差異并不明顯，但人形機器人要做的任務(wù)則更為復(fù)雜，它們需要走路或者攀巖，因此研發(fā)人員用模型生成機器人的連接轉(zhuǎn)矩速度軌跡，隨后輸入其優(yōu)化模型來運行。
機器人需要轉(zhuǎn)動，研發(fā)人員根據(jù)扭矩速度軌跡和關(guān)節(jié)驅(qū)動器的效率圖，沿著軌道產(chǎn)生的能源消耗、任務(wù)與時間的累計能量，就可以定義特定執(zhí)行機構(gòu)的樣本，并發(fā)送到云端。這樣一來，就可以縮短其生產(chǎn)成百上千萬關(guān)節(jié)驅(qū)動器的時間。
不過，機器人的每個關(guān)節(jié)都是特定的，28個關(guān)節(jié)都需要定制規(guī)格。因此，研發(fā)人員需要減少定制的執(zhí)行器設(shè)計，解析它們上傳的云并采取共性研究。
“擎天柱”的關(guān)節(jié)驅(qū)動器共有6種，包括三種不同規(guī)格的舵機、三種不同規(guī)格類似重量秤一樣的牽引執(zhí)行器等。
在極限范圍內(nèi)進行測試，其關(guān)節(jié)驅(qū)動器抬起一架半噸重的鋼琴，這也是人形機器人必須具備的功能。
4、手部感知系統(tǒng)：大、小形態(tài)均能抓握，手部也能感知物體
人手能以每秒300度的速度移動，擁有成千上萬的觸覺傳感器。特斯拉機械手的設(shè)計靈感就來自于生物學(xué)，和人手一樣同樣使用五個手指來驅(qū)動，既可以完成大口徑物體抓取，同時也能滿足抓取精巧物體的需求。
我們周圍世界的工廠被設(shè)計為適于人手抓握的，但也會出現(xiàn)很多我們沒見過的物體。因此，特斯拉的人形機器人手指有6個執(zhí)行器和11個自由度，搭載了能夠驅(qū)動手指并進行感知的傳感器。
手的適應(yīng)機制是非常復(fù)雜的，人類可以認(rèn)識到手在空間中的位置，而這也是其能抓取物體的關(guān)鍵。因此，特斯拉目前也在進行相應(yīng)測試。
5、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)：采用汽車同款神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自主識別行駛區(qū)域
在機器人的行動方面，“擎天柱”使用特斯拉電動車同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——“占用網(wǎng)絡(luò)”來識別可行駛區(qū)域，研究人員稱，他們正在研發(fā)如何改善“占用網(wǎng)絡(luò)”，來使得機器人更快、更精準(zhǔn)到達目的地。他們最近在訓(xùn)練人形機器人的計算機視覺識別高頻特征，讓人形機器人能夠快速找到最近的充電站。
研發(fā)人員在模擬測試中，使用自動駕駛模擬器并集成了機器人的運動代碼，在今年四月份，“擎天柱”的移動速度很慢。
研發(fā)人員演示了擎天柱機器人的行動成長軌跡。從2022年4月份邁出第一步，到2022年7月，讓人形機器人解鎖了骨盆的應(yīng)用來保持平衡，2022年8月，讓手臂開始發(fā)揮作用，直到2022年9月，擎天柱的腳趾也派上了用場，可以看出，隨著人形機器人慢慢將更多的關(guān)節(jié)等利用起來并加以訓(xùn)練，它的移動速度有了明顯提升。
6、行動控制系統(tǒng)：優(yōu)化調(diào)參從測試映射至現(xiàn)實，解決機器人平衡難題
從人體步行的過程來看，機器人有身體上的自我意識很重要，如能意識到自己四肢的長度是多少、腳有多大，并且如何保持平衡，如何協(xié)調(diào)四肢運動。人類很容易就能做到這些，但對于機器人來說很難。
研發(fā)人員通過運動計劃和控制堆棧，生成機器人運動學(xué)模型，然后將所需路徑生成底層平臺，讓整個系統(tǒng)參考其軌跡進行訓(xùn)練。
機器人模擬系統(tǒng)中按照其期望的路徑規(guī)劃一條線路，不斷添加相互連接的軌跡，然后根據(jù)軌跡規(guī)劃出每個腳的落腳點，然后再讓執(zhí)行器執(zhí)行，以此保證機器人行走過程中的平衡性。
在運動訓(xùn)練中，運動規(guī)劃式是一個理想情形，但實際上將其放到現(xiàn)實世界上是不現(xiàn)實的。在這個過程中缺少幾個關(guān)鍵動作，將其放置到現(xiàn)實世界中，會對模型動力學(xué)造成影響，特別是像兩足動力學(xué)這樣穩(wěn)定的系統(tǒng)。
研發(fā)人員利用相應(yīng)的傳感器以及他們在現(xiàn)實世界中的觀察來解決機器人的控制難題，機器人的骨盆位置、重心位置，使用更好的機器人模型來進行訓(xùn)練。
通過跟蹤機器人在工作室中的路徑來構(gòu)建更好的機器人模型，并依據(jù)實際情況修正機器人的行為。
7、手部控制系統(tǒng)：人類模擬視頻映射運動參考，掌握抓握物體位置
為了解決人形機器人在觀察的同時操縱真實的物體世界的難題，研發(fā)人員將這一步驟分成了兩個，首先生成一個自然運動參考系統(tǒng)，然后再將其進行優(yōu)化推廣。
假設(shè)有一個人類對某一動作進行了演示，然后研發(fā)人員通過視頻對其動作設(shè)置關(guān)鍵幀，并將其映射到機器人上。這樣只需要一個演示視頻，研發(fā)人員就可以將其推廣到機器人的現(xiàn)實操縱應(yīng)用上。
這就可以解決機器人在抓取物體時手應(yīng)該放在哪里，如何進行搬運放置等難題。
03 人形機器人進階路仍有無限可能
人形機器人這一新物種自誕生起就引發(fā)了熱烈討論，今年已經(jīng)有多家知名科技公司發(fā)布了人形機器人，前有小米“鐵大”，現(xiàn)在特斯拉“擎天柱”在概念版亮相一年后，終于公布了可以走起來的工程版，同時在這次AI Day上，公布了十分完整的技術(shù)路線。
人形機器人因其技術(shù)集成度及難度都很高，被視作AI領(lǐng)域的終極形態(tài)，也將成為未來智能機器人的重點發(fā)展方向之一。
現(xiàn)如今，服務(wù)、工業(yè)、特種機器人已經(jīng)深入到社會生活的方方面面，小至家庭中的掃地機器人，大到工廠配送、機械臂等。而人形機器人仍然是一個新鮮事物。
從其技術(shù)難度而言，人形機器人不同于其他機器人形態(tài)，代表了人們腦海中機器人的理想形態(tài)，其研發(fā)難度也可想而知。
特斯拉作為第一家將其擺上臺面并在控制、步行方面都較為穩(wěn)定的企業(yè)，離不開這家公司在自動駕駛領(lǐng)域的多年技術(shù)積累。事實上，自動駕駛技術(shù)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、AI算法、激光雷達等都可以遷移至人形機器人研究中。
馬斯克在第一屆“AI Day”上曾說過：“我們的汽車是帶輪子的半感知機器人——用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別世界，了解如何在世界中導(dǎo)航。”
再加上隨著AI技術(shù)不斷進步，伴隨著人機交互能力加強，其具備的人形相比于其他機器人形態(tài)來說，能夠更好的滿足情感和陪伴需求，這也為人形機器人的發(fā)展帶來了更多可能性。
談及馬斯克研發(fā)人形機器人的初衷，要追溯到四年前。馬斯克認(rèn)為特斯拉的工廠“過度依賴機器人”，并且在很多任務(wù)上，機器人的表現(xiàn)并不如人類。因此，“擎天柱”的初始應(yīng)用場景也被他放到了代替人們從事枯燥、危險性的工作上。
04 結(jié)語：馬斯克讓人形機器人商業(yè)化之路可期
等了一年之久的“擎天柱”，終于出現(xiàn)在了大眾視野中，這也成為特斯拉“AI Day”最受矚目的環(huán)境。不過，其新奇的外觀與性能并不是關(guān)鍵，對于人形機器人而言，其真正量產(chǎn)落地才是衡量這一新物種是否真正有價值的關(guān)鍵。
但從其能澆花、搬東西這些更為細(xì)致的功能來看，馬斯克仍一直堅持著向擬人形態(tài)機器人不斷進階，從手部動作、步態(tài)調(diào)整、控制系統(tǒng)等，依托于特斯拉在汽車領(lǐng)域的強大技術(shù)積累，和基礎(chǔ)設(shè)施及供應(yīng)鏈。再加上馬斯克在人形機器人領(lǐng)域的野心和他強大的行動力，為這一產(chǎn)業(yè)帶來了無限憧憬。
馬斯克在人形機器人亮相后說：“自動駕駛汽車對世界產(chǎn)生的巨大影響，使得運輸生產(chǎn)力提升上至少提高了半個數(shù)量級，未來，擎天柱或許會帶了數(shù)個數(shù)量級的提升?！?/p>
此前曾有爆料稱特斯拉“擎天柱”預(yù)計2023年實現(xiàn)量產(chǎn)，計劃在德州工廠部署數(shù)千臺人形機器人，最終可能會擴展到全球數(shù)百萬臺。如果特斯拉的人形機器人能最終量產(chǎn)，并真正解決其落地難題，有望促進人形機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展向前邁進一大步。