具身人工智能（PAI）正推動(dòng)機(jī)器人從裝配線(xiàn)這類(lèi)相對(duì)安全、可預(yù)測(cè)的作業(yè)環(huán)境，走向充滿(mǎn)不確定性、動(dòng)態(tài)變化的人形機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景。電源已成為人形機(jī)器人規(guī)模化普及的首要瓶頸。

能源供給與供電系統(tǒng)（包括電源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能）是制約具身人工智能在人形機(jī)器人中落地的關(guān)鍵因素。例如，現(xiàn)有電池技術(shù)將這類(lèi)機(jī)器人的續(xù)航限制在3 小時(shí)以?xún)?nèi)，部分機(jī)型甚至遠(yuǎn)低于這一水平；而大多數(shù)工業(yè)和醫(yī)療場(chǎng)景的需求是8～20 小時(shí)連續(xù)工作。

能耗需求的上升首先源于雙足行走。與在二維平面移動(dòng)、能耗更低的輪式機(jī)器人不同，人形機(jī)器人需要在三維空間中完成平衡與移動(dòng)。這意味著除了環(huán)境感知和運(yùn)動(dòng)控制外，還需要更多傳感器來(lái)維持姿態(tài)平衡。

對(duì)更多傳感器的需求同樣延伸到機(jī)器人手部。人類(lèi)手部擁有 27 個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，要實(shí)現(xiàn)接近人類(lèi)的操作能力，機(jī)器人手部至少需要 19 個(gè)自由度，這就需要更多傳感器。用于行走和抓取的大量傳感器，會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的傳感器融合算法，進(jìn)一步消耗大量電能。

顯然，所有這些運(yùn)動(dòng)都需要電機(jī)、執(zhí)行器以及配套驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步推高功耗并加劇電池系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。這些因素也帶來(lái)了顯著的成本問(wèn)題：一套基礎(chǔ)的人形機(jī)器人電池系統(tǒng)、舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，約占整機(jī)成本的30%（圖 1）。

圖 1：儲(chǔ)能、電源轉(zhuǎn)換與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可占人形機(jī)器人總成本的 30%。（圖片來(lái)源：麥格理集團(tuán)）

行走的復(fù)雜性

人形機(jī)器人行走必須考慮零力矩點(diǎn)（ZMP）和質(zhì)心力矩支點(diǎn)（CMP），二者都是用于保證平衡的地面參考點(diǎn)。

圖 2：人形機(jī)器人行走是一項(xiàng)復(fù)雜且高能耗的運(yùn)動(dòng)。（圖片來(lái)源：《國(guó)際機(jī)器人研究期刊》）

零力矩點(diǎn)（ZMP）用于確定地面上水平慣性力矩與重力合力為零的位置（適用于平底、平穩(wěn)行走）。質(zhì)心力矩支點(diǎn)（CMP）則將這一概念擴(kuò)展至包含角動(dòng)量變化的場(chǎng)景，例如擺臂或上半身快速運(yùn)動(dòng)。

當(dāng) CMP 與 ZMP 重合時(shí)，地面反作用力會(huì)直接穿過(guò)身體質(zhì)心（CM），這是保證穩(wěn)定的必要條件。

這意味著行走不僅需要對(duì)多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行高功耗實(shí)時(shí)處理，運(yùn)行基于機(jī)器學(xué)習(xí) / 人工智能的傳感器融合算法，還要精確協(xié)調(diào)腿部、手臂與軀干大量執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)（圖 2）。

多裝電池就能解決嗎？

增加電池?cái)?shù)量看似可以延長(zhǎng)續(xù)航，但電池增重會(huì)降低機(jī)器人靈活性，反而讓行走等動(dòng)作消耗更多能量。同時(shí)，更多電池也會(huì)直接推高系統(tǒng)成本。

目前行業(yè)正采用基于 ** 氮化鎵（GaN）** 的先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，以緩解部分功耗與電池限制帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

人形機(jī)器人存在電動(dòng)汽車(chē)不具備的嚴(yán)格重量約束。電動(dòng)汽車(chē)可以將約 1/3 的重量分配給電池系統(tǒng)，而人形機(jī)器人為保證平衡與靈活性，電池重量通常被限制在整機(jī)的1/8 以?xún)?nèi)。

此外，在快速、重復(fù)、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的大功率放電，會(huì)大幅縮短電池循環(huán)壽命。某些情況下循環(huán)壽命可能降至200 次，導(dǎo)致電池更換更加頻繁，削弱人形機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性。

機(jī)器人的 “能量食物”

能源供給不僅是技術(shù)或經(jīng)濟(jì)層面的限制，它往往直接決定機(jī)器人能執(zhí)行什么任務(wù)。在災(zāi)難救援、醫(yī)院病患護(hù)理等場(chǎng)景中，需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作業(yè)，過(guò)短的電池續(xù)航會(huì)直接讓人形機(jī)器人失去應(yīng)用資格。

目前有多種方案可提升人形機(jī)器人續(xù)航。研究人員正在探索金屬空氣電池等新型電池技術(shù)，這類(lèi)電池理論能量密度極高，但主要受限于可充電性差、輸出功率低、易受環(huán)境影響等問(wèn)題，仍處于研發(fā)階段。

另一種研究方向是為機(jī)器人 “喂食” 鋁或其他金屬，或使用化學(xué)燃料，以擺脫電池的限制（圖 3）。在這類(lèi)系統(tǒng)中，氧氣與燃料在反應(yīng)器中結(jié)合，通過(guò) “食物” 產(chǎn)生電能。但在廢棄物處理、功率密度、能量密度、環(huán)境適應(yīng)性等方面仍存在大量難題有待解決。

圖 3：未來(lái)機(jī)器人可能通過(guò) “消耗” 化學(xué)燃料來(lái)發(fā)電。（圖片來(lái)源：The Conversation）

總結(jié)

在人形機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)具身人工智能所需的儲(chǔ)能、電源轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)控制以及大量執(zhí)行器，正制約著這類(lèi)系統(tǒng)的發(fā)展與普及。氮化鎵功率器件可以緩解部分問(wèn)題，但能源供給的根本瓶頸，仍需要全新的儲(chǔ)能技術(shù)路線(xiàn)才能突破。