院士领衔!创人体骨骼肌机械智能“独有理论”!仿生人形机器人领域又添重磅玩家

真自在 2023-09-14
3394 字丨阅读本文需 8 分钟

近日,由吉林大学工程仿生教育部重点实验室任露泉院士团队创立的人形机器人公司“月泉仿生”完成千万级人民币的天使轮融资。本轮投资方为中关村发展集团启航投资,募集资金主要用于推动仿生人形机器人系统及核心零部件的产业化。

月泉仿生是一家人形机器人公司,专注于仿生智能科技,由吉林大学工程仿生教育部重点实验室任露泉院士团队创立。通过自研的骨骼肌肉在体精准测试分析技术体系,月泉仿生团队掌握了人体运动的奥秘,创新性提出“仿生拉压体机器人”理论,并展开了对人形机器人的研究工作。

除了关节,更要重现人体机械智能

转笔、穿针引线、玩魔方、打扑克、翻书,这样人手才能完成的精细动作,如今用仿生灵巧手也能实现准确操控。“在仿人行走、仿生灵巧手、仿生机械臂等方面,我们做了很多创新工作。以仿生拉压体机器人理论与技术为基础,开发了200多个国际和国内专利,形成了一个‘技术树’。”月泉仿生联合创始人任雷教授表示。作为英国曼彻斯特大学终身教授、教育部长江学者、吉林大学仿生健康学科带头人,任雷教授在人体科学、仿生机器人、仿生运动智能领域已潜心研究了二十余年,形成了深厚积淀。

简单理解“仿生拉压体”理论,即人体骨骼肌肉系统的硬组织如骨骼主要受压,而韧带、肌肉等软组织主要受拉,受压的硬组织和受拉的软组织形成了一个有机整体,驱动人体运动。与传统机器人的刚性系统结构不同,月泉仿生研发了仿生拉压体刚柔耦合系统结构,模仿并学习人体骨骼肌肉智能特性,使其在具备高度运动性和灵活性的同时,兼顾稳定性,环境适应性和运动经济性。

这其中的核心是挖掘人体骨骼肌肉智能,放开自由度,“区别于传统设计,我们不去强制约束自由度,而是用软组织进行有序的连接或包裹,形成一种有序的构造,充分释放机械智能。”月泉仿生CTO赵迪解释道。比如人体膝关节的巧妙设计,使得腿部着地时会形成自旋,进而防止过度屈曲,保证关节稳定性。

“关节本身机械部分的形态学结构,就保证了自稳定,这就是机械智能的体现。我们做的仿生人形机器人不是简单的解剖学模型,而是在每一个关节、部位重现人体骨骼肌肉的智能。”

在重现人体骨骼肌肉机械智能的过程中,月泉仿生依托吉林大学工程仿生重点实验室进行成果转化,突破了多个技术难点。因为仿生拉压体关节具备高自由度,两块骨骼间长期摩擦会带来一定损耗,人体有关节液作为润滑,月泉仿生团队采用3D打印的树脂材料,模仿关节处的软骨层,以解决这一难题。除此之外,在韧带的仿生材料和编织工艺上,月泉仿生也进行了系列创新,以接近人体韧带的性能,满足受力和位移的要求。

为了适应创新的关节构型,在动力源方面,月泉仿生的仿生拉压体机器人采用了“驱动传动一体化”的高效柔性驱动部件。通过综合运用上述技术,仿生拉压体机器人能够实现与人相似的运动特性,机器人不仅可与环境安全交互,且运动能耗指标CoT仅为人体的1-2倍,远低于关节型人形机器人。

另辟蹊径,打破人形机器人天花板

人形机器人不只是传统机器人外形的改变和能力的简单提升,更是软硬件全面迭代升级。与人相比,人形机器人突破了生理极限,不受情感因素影响,能够适应危险环境,可以长时间不知疲倦地工作。人形机器人有望进入家庭作业、快速配送、工业生产等各种消费级和商业级场景。预计到2030年,全球约有4亿个工作岗位将被自动化机器人取代,按20%渗透率测算,全球人形机器人市场空间约12-16万亿元,是真正的“万亿级新蓝海”。

长久以来,机器人行业将主要精力投入在关节驱动机器人的研发上,经过数十年的发展,关节驱动机器人已被广泛应用于工业制造领域,并涌现出一大批技术实力雄厚的头部企业。关节驱动机器人具有定位精确、易于设计、易于控制等优势。因此,部分知名科技企业选择以关节驱动机器人技术为基础来构建人形机器人。

然而,关节驱动机器人的肢体惯量较大,且关节尺寸与关节性能高度相关,这使得以关节驱动机器人为基础的人形机器人难以具备接近人体的外形和运动特征,并且较大的肢体惯量也增加了机器人与环境交互的风险。此外,传统关节驱动机器人通常采用自由度较少的铰链式关节,在复杂的外力作用下会产生较高的能耗和磨损。关节驱动机器人的运动能耗指标CoT(Cost of Transportation)动辄达人体水平的几十倍甚至上百倍,使得机器人无法胜任长时间的工作任务。因此,目前业界亟需一种全新的机器人构型来解决上述矛盾。

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,团队通过自研的骨骼肌肉在体精准测试分析技术体系揭示了人体运动的奥秘,以此为依据创新性地提出了“仿生拉压体机器人”理论,并围绕这一理论展开了对人形机器人的研究工作。这种新型机器人具备“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。

此外,为了适应全新的关节构型,仿生拉压体机器人采用具有“驱动传动一体化”特征的高效柔性驱动部件作为动力源。通过综合运用上述技术,仿生拉压体机器人能够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。

任露泉表示:“人类在人形机器人领域的研究已经取得了显著的成果,从本田的Asimo到波士顿动力的Atlas,人形机器人已经能够离开实验台架的支撑,独立完成一些任务。Atlas和Asimo的诞生相隔了十几年,在这十几年间,传感器技术、人工智能技术取得了突破性的进展,得益于这些基础技术的发展,Atlas的环境感知和运动控制技术相比Asimo已经有了巨大的进步。但是在运动经济性、交互安全性等人形机器人的关键指标上,Atlas并没有显著的提升,这也就意味着传统刚性机器人技术存在一个天花板,这个天花板限制了人形机器人发展的上限。现在来看,单纯的技术创新已经难以继续推动行业发展,只有理论创新才能突破这一层天花板,让人形机器人技术达到一个全新的高度。我相信,月泉仿生提出的仿生拉压体机器人理论正是捅破这层天花板的有力工具,我也相信这一理论将带领行业乃至全人类向着我们的理想目标前进。”

让机器人更类人,打造仿生关键子系统

高仿生人形机器人的开发,如同“登月计划”一样涉及多学科技术,“需要有耐心、有毅力地逐个解决”。在研发过程中,月泉仿生团队也面临着许多待解决的问题,如新的制造技术、驱动技术、传感技术、生物材料技术等。

据月泉仿生董事长李天灵介绍:为了打造更接近人体的人形机器人运动系统,实现机器人与人的协同工作的目标,公司制定了四个并行的研发路线,分别为人形机器人控制系统、人形机器人关键子系统、人形机器人核心部件以及人形机器人新型材料,这些研发路线对应的产品产出将分阶段地为公司带来收入,支撑公司运转和仿生人形机器人整机的开发。

现阶段,月泉仿生已经研制出一系列仿生机器人的关键子系统,如三维变刚度仿生脚板、运动自适应仿生踝关节、电液动力智能膝关节、具备人体三维自然行走步态的仿人下肢机器人、高度类人的仿生智能灵巧手及仿生机械臂。

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,在外力干扰下灵巧手可以通过主动移动、屈曲、翻转等动作调整,以保持手持物体不掉落。除了基础的抓握、按压等动作外,还可以完成27种不同的手部复杂精细操作,比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。

此外,仿生机械臂也是月泉仿生一项有创新性的工作。传统工业机械臂的准确性、静态受载能力高,但柔韧性、灵活性、主动输出力/扭矩等性能不足,难以应对复杂的非结构化场景。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,得到了高度仿人的完整机械臂。

数据与仿生算法层面,月泉仿生团队积累了大量人体测试数据库,基于对生物力学功能原理规律的研究,开发了一系列仿生控制算法,以提高仿生人形机器人的性能。随着生成式AI的发展,月泉仿生团队也与人工智能相关团队取得合作,共同优化针对仿生拉压体机器人运动特点的仿生智能控制算法,充分挖掘此类机器人的运动性能、操纵能力。

目前,公司的科研团队正在主攻高功率密度微型电机、仿生人工肌肉作动器、柔性力传感器和人工韧带等人形机器人核心部件。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。

启航投资管理合伙人马建平先生认为,作为一家由仿生领域杰出科学家们带领的科创公司,月泉仿生运用仿生学理念和人体运动机理,攻克了人体内部运动机制难以观察及仿真的主要难题,创造性地研发出了拉压体驱动刚柔耦合机器人,进一步实现了极低CoT能耗水平,其各项指标逼近人体运动性能,为实现“机器替人”和“具身智能”这一宏伟目标提供了坚实的运动基础。希望月泉仿生依托吉林大学仿生学科的积累经验,加快将人工智能与原创人形机器人技术理念融合,为各行业和场景提供出更加灵活、智能、高效的解决方案,早日成为世界级仿生机器人企业。

文章来源: 36氪,商道创投网 ,达奇月泉仿生科技

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