Science Robotics | 别再只谈AI了：人形机器人的未来，归根结底由机械硬件决定

导语当所有人都在讨论大模型如何赋予机器人“大脑”时一位深耕机器人硬件二十余年的学者发出了不一样的声音。Agility Robotics联合创始人、俄勒冈州立大学教授Jonathan Hurst在《Science Robotics》上发表观点文章直指一个被行业狂热掩盖的根本事实AI只是被硬件物理约束的软件人形机器人的未来是由机械硬件决定的。 这篇文章以飞机从扑翼机到固定翼的进化史为镜对人形机器人的最佳硬件路径做出了系统性预测。一、被忽视的真相AI无法弥补硬件的物理鸿沟“人工智能不过是被硬件物理限制的软件。”这句话是全文的核心论点。Hurst认为当前行业有一种危险的过度论调——硬件会商品化未来将是软件定义一切的通用机器时代。但事实恰恰相反。看今天的工业自动化就能理解这条鸿沟。在需要高精度定位轨迹的场景中——金属加工、点焊、高速拾取——工业机器人远超人类因为它们被设计成极高刚度的精密机构。但在穿越地形、移动操作、软性力控交互等场景中人类依然遥遥领先。这两类能力的差距不是算法的差距而是物理硬件的差距。再聪明的AI也无法让一个高刚度、高摩擦、响应迟钝的机械系统做出人类那样流畅、柔顺、充满生命感的动作。“制造一个看起来像人的机器人很容易但制造一个像人类一样移动的机器人就难得多。”Hurst写道。两个机器人可以有完全相同的外观和运动轨迹但关节摩擦、惯性、顺从性等硬件动力学的差异会让它们的真实运动表现截然不同。这些硬件特性可以成为控制的障碍也可以成为不可或缺的伙伴——一切取决于设计是否遵循了正确的物理原则。二、从扑翼机到固定翼人形机器人的进化隐喻这是一段精彩的历史类比。早期人类试图飞上天空时直觉性地模仿鸟类——制造带有拍打翅膀的飞行器。这些扑翼机看起来很“像鸟”但它们都失败了。直到我们真正理解了空气动力学的物理原理飞机才找到了自己的形态固定翼、螺旋桨或喷气推进与鸟类的飞行方式截然不同但效率远超鸟类。Hurst认为今天的人形机器人正处于“扑翼机阶段”。很多公司痴迷于精确复制人体尺寸、五指灵巧手等生物特征恰恰暴露了我们对“机器人应该如何移动和操作”的物理原理还缺乏根本理解。未来的人形机器人将像飞机一样——有熟悉的特征但与人体的相似之处到此为止。它们会直立行走、有躯干、有手臂、可能有脸部用于人机交互但关节结构、传动方式、手部设计都将按照工程最优原则重新设计而非模仿生物学。三、一份系统性的最佳硬件路径预测Hurst在文章中给出了从执行器到传动系统从手部到脚部的完整技术路线预测。这是他作为Agility Robotics联合创始人和Digit人形机器人设计者的核心经验凝练。3.1 主执行器电磁驱动进化而非革命“主执行器将采用电磁驱动是我们目前看到的无刷直流电机的改进和进化。”他明确指出像聚合物人工肌肉这样的新型执行器“仍然遥遥无期”而气动或液压执行器在人形应用中“存在根本性的能效和性能缺陷”。真正的突破将来自现有技术路线的持续优化新型轴向磁通电机如汽车行业已使用的YASA结构、横向磁通变体、新型三维电磁建模方法、高通磁性材料等。一个容易被忽视的物理约束是即使电机扭矩密度大幅提升变速箱仍然是必需的尤其是对于大型机器人。原因在于比例定律——大型机器比小型机器“弱”。蚂蚁能举起数倍于自身重量的物体但大象不能跳跃。当机器人尺寸增大其质量按立方增长而力量按平方增长必须通过传动系统来弥补这一差距。3.2 大关节传动滚动接触式环形减速器对于膝盖、肘部等大关节Hurst的首选是滚动接触式环形减速器。这类传动装置的优势在于低摩擦、高耐用性、耐冲击、紧凑外形、扭矩密度与质量匹配且制造工艺简单。当与新型高扭矩密度电机结合可以形成高带宽扭矩控制和反向驱动性能极佳的关节模块。“没有什么能比得上它们。”他写道。3.3 手部设计腱驱动 串联弹性执行器手是最复杂的末端执行器。Hurst认为腱驱动是细指末端施加巨大力的最结构高效方式——腱绳只承受拉力配合连杆承受压缩载荷就像人类手部的肌腱和骨骼结构。执行器应放在前臂——就像驱动人类手指的肌肉一样——因为手部需要高功率和高力量而手指空间极其有限。由于腱绳系统在从执行器到指尖的传递过程中不可避免地产生速度和力的变化级联弹性series elasticity是必需的用以实现卓越的力控制和冲击容忍度。“最后腱不耐用。它们是可更换的磨损部件比如脚底。”——这个务实到近乎冷淡的结论来自真实产品反复迭代的经验。3.4 脚部功能性脚跟-脚尖步态走路的物理本质比大多数人想象的更精妙。“功能性脚跟着地”是必需的——脚跟着地可以吸收脚部接触的冲击隔离大腿部马达免受初始冲击让膝盖开始弯曲并吸收剩余冲击。而脚尖离地则将腿部伸展超出直膝状态每一步都为步态增加能量是高效快速行走的关键。这背后的原因在于人形机器人大多数时候膝盖几乎是直的不会消耗过多能量来支撑体重。脚部需要有结构来很好地处理这些冲击和过渡远远超越“扁平金属板”的粗糙设计。四、从原则推演出的形态Hurst特别强调基本的人形形态并非源于审美偏好而是源自第一性原理。动态稳定性在走廊等狭小空间中高处工作腿部比轮子更稳定因为脚能更快地移动到新位置以支撑质心应对突发干扰。直立躯干简化占地面积为计算和电池留出空间还能通过向加速方向倾斜提升平衡能力。双臂安装在肩部提供了将大型物体从地面抬到最高架子的完整工作空间方便接住跌落物同时提供出色的惯性驱动便于转身或保持平衡。这些形态特征是一个物理系统在人类环境中高效工作的工程最优解而非对生物学形态的盲目复制。五、安全人形机器人走入人类生活的最后一道门槛Hurst对安全的讨论格外值得关注。他明确提出安全“不仅依赖于感知和具情境感知的智能选择还依赖于能够可靠经过安全认证的冗余级别在安全地点施加安全力的执行器”。这意味着人形机器人的安全不是纯软件问题。即使AI完美无缺一个无法在接触瞬间精确控制施加力量、无法在摔倒时保护周围人的机械系统就永远无法进入人类家庭。安全力控的本质是执行器和传动的物理能力而非算法判断。具体而言机器人必须在与人实际接触时避免夹点、跌倒或踩到他人脚及其他物理风险。这要求执行器具备冗余级别的安全认证——一个关于机械设计、材料选择和系统架构的物理工程问题。六、从后室到家庭一条渐进的道路Hurst描绘了人形机器人进入人类社会的三个阶段。第一阶段当前商业和工业环境的“后室”——搬运托特袋、分拣包裹、简单套件装配。这些任务仍然是流程自动化范畴但比传统机器人任务更具变异性且符合机器人的经典“3D”——无聊、肮脏或危险。第二阶段随着通用能力提升、安全性确认、价格下降扩展到更多商业和工业环境包括熟悉的零售场景逐步从后室走向公共空间。第三阶段当移动和操控在各种环境中达到了广泛的通用能力能够在人们的家庭中适应并逐步证明其安全操作——让我们能够信任它们在孩子和宠物身边——它们才会进入家庭成为大多数人日常生活的一部分。这条路径的关键约束在每个阶段都是硬件的成熟度而非仅仅软件的进步。七、结语物理智能的时代正在到来文章最后Hurst给出了一个令人心潮澎湃的展望。“由人工智能赋能的人形机器人带来了机器人新纪元无论人们工作在哪里都能解锁操作无需进行架构改造。多用途机器人能解决许多单一用途机械难以自动化的任务。这两个功能——在人类空间中运作且多功能——将重新定义劳动放大人类野心类似于加速的工业革命。”“路上将有各种各样的人形机器人和车辆一样多样各自拥有独特的特色。人类很快将拥有前所未有的机器人助手。”而实现这一切的前提在于我们是否有足够的智慧去理解物理智能的本质首先是一个物理问题。论文信息标题Physical artificial intelligence rests on mechanical hardware作者Jonathan Hurst俄勒冈州立大学、Agility Robotics期刊Science Robotics2026年8月12日第11卷第117期DOI10.1126/scirobotics.aee2921作者背景Jonathan Hurst是Agility Robotics联合创始人兼首席机器人官俄勒冈州立大学机械工程教授Digit人形机器人的核心设计者。Digit是首款实现商业化部署的人形机器人已在亚马逊等企业的物流场景中投入使用。