建筑行业的仿人机器人：未来愿景（英）

工程、施工与建筑材料实践建筑行业的人形机器人： 未来展望 仿人型机器人仍处于试点阶段，但可能成为建筑行业生产力问题的解决方案。行业领导者如何为它们进入劳动力市场做准备？ 几十年来，建筑业一直面临着需求增长和劳动力能力萎缩的双重困境。生产力停滞不前，情况可能很快就会恶化：许多工人接近退休年龄，由于安全顾虑、对未来的不确定性以及建筑工作的体力强度，年轻人进入该领域的人数越来越少。为了缓解劳动力短缺，一些企业已经使用专为建造的机器人自动化了铺砖和浇筑混凝土等几项常见活动。下一步合乎逻辑的可能是使用通用机器人，这些机器人可以在多种环境中执行多样化、不相关的任务。 通用机器人可以在各种建筑活动中发挥作用，从移动重型混凝土块到焊接和管道安装。尽管这些机器人形式各异，但外形与人相似的类人机器人最受关注。类人机器人仍在早期发展阶段，但如果开发者和其他利益相关者能够克服技术、监管、财务和运营方面的障碍，它们有可能改变行业。 在建筑领域，大规模的人形机器人应用可能还需要十年时间，部分原因是这些机器人目前仍难以在繁忙、非结构化的工地上导航。但建筑领导者应从现在开始为部署人形机器人做准备，因为最近的技术进步表明时间表可能被加速。企业领导者的优先事项应该是创造一个未来工作场所，在那里人形机器人被部署来支持工人，而不是取代他们——为在多重优先事项中挣扎的经理、负担过重的基层员工以及希望更快完成项目的客户创造双赢。 建设困境 尽管过去二十年建筑技术有了显著进步，建筑业生产率在2000年至2022年间仅为0.4%的复合年均增长率 —远低于制造业等其他行业，同期制造业的复合年增长率为3.0%（附表1）。建筑生产力的增长大部分源于新兴市场活动。 建筑公司在应用数字工具，包括建筑信息模型和计算机辅助设计方面取得了一些生产率提升。然而，总体而言，与其他行业相比，该行业在任务数字化方面进展较慢，使其更依赖人工劳动并使效率提升最小化。由于劳动力短缺，招工一直很困难。加剧这一问题的是，全球住房和基础设施的需求在城市化、人口增长以及对替换或扩建陈旧资产的需求推动下正加速增长。预计供应将比需求短缺约 40 万亿美元。2 建筑行业的自动化进程比数字化进展得更慢。大多数自动化应用并非在施工现场，而是在预制和预组装构件（如墙体、楼板和梁）的场外制造。现场自动化尤其困难 图1 因为每个项目都是独特的并且不断演变，有不断变化的办公场所布局、众多移动的机器和人员，以及高安全风险。此外，建筑工地通常有不可靠的网络连接和有限的数字基础设施。 少数公司已经开展了涉及简单、非类人型机器人的试点项目，这些机器人自主或半自主地执行单一任务，例如绑扎钢筋或放置钢筋，或为机械设备、电力系统和管道系统进行天花板钻孔。这些解决方案尚未实现大规模部署。相比之下，地面工程和道路工程的试点项目更为成功，特别是采用高度专业化的机器人，如无人驾驶摊铺机和自动驾驶压路机。 显著的进步，仍具增长空间 尽管类人机器人目前尚未成为建筑工地的常客，但它们代表着一种可能解决生产力危机的变革性方案。它们的能量来自具身化人工智能技术，这种技术能够实现实时决策。而特种机器人重复地在结构化环境中完成单一任务，开发者们正努力使类人机器人更加通才化。最近取得了一些重要的进展，尽管还有更多增长空间（参见侧边栏，“大规模人形机器人部署的推动因素”）。以下研究领域与建筑尤其相关。 日益复杂的 AI 基础模型 视觉-语言-行动基础模型使人形机器人能够理解视觉提示并遵循口头指令，这大大提高了它们的实用性。随着人工智能模型和传感器技术的进一步发展, 人形机器人或许能够掌握复杂的建造任务。虽然人类学徒经常在监督下花费数年观察和实践, 人形机器人可以快速分析数百万个建造视频、指令和演示来学习技能, 从而更快。开发者需要大量的建造数据来使此功能得以实现。 更好的移动性和灵活性 开发者极大地提升了人形机器人的机动性，但在这些机器人能够熟练地在建筑工地等无结构化工作场所导航之前，还需要进一步发展。虽然人类依赖经验、观察同事的指示或地图来行动，但人形机器人通过处理关于其周围环境的海量数据来导航，包括来自传感器的输入和其他环境上下文信息。 许多拟人化模型现在可以处理非结构化任务，例如提起形状不规则的物体。对于更复杂或精细的活动，如以人类级别的灵巧性操作小型工具，仍需要进一步改进。当机器人能够爬楼梯和脚手架或在崎岖不平的地形上行走时，它们在建筑中的价值将变得更加重要。 更加注重安全和协作 传感器、感知模型以及其他技术的进步已经降低了通用机器人的许多风险——例如，防止它们使用过大的力。下一步将涉及创建允许“无围栏”操作的安全功能在其中，人形机器人可以自由移动整个工作场所，而不是被限制在特定区域。开发人员还在努力改进人工智能模型，以便人形机器人可以与人类工人无缝协作，并正确响应所有语音指令。 人形机器人在建筑中的应用 投资者正越来越将资金投入人形机器人领域（参见边栏“人形机器人投资已超10亿美元”）。在建筑领域，领导者将专注于人形机器人能明显比自主或半自主的单任务机器人提供更多价值的应用。此外，人形机器人将用于支持工人，而不是取代他们。 大规模人形部署的使能因素 除了更好的灵巧性、移动性和安全性之外，人形机器人只有当OEM厂商能够通过可更换电池或休息期间的快速充电来提高其运行时间时，才会变得可行。从经济角度来看，单位成本必须从今天的15万美元降至50万美元之间，才能实现规模化。在建筑行业，其成本必须降至人形机器人能与当地劳动力竞争的水平。 还需要制定新的法律法规来规范人形机器人的使用。国际标准化组织正在制定可能在全球适用的标准。在建筑领域，利益相关者还必须遵守可能影响部署速度的特定行业和地区法规。例如，在建筑安全法规严格的国家或地区，如欧洲，采用速度可能会较慢。关于数据保护、算法问责制和决策自主性等问题也依然存在。 目前尚不清楚保险公司将如何应对类人生物，以及他们愿意承保哪些风险。在将这些机器人大规模部署到工作场所之前，有必要提供更多明确的说明。 超过10亿美元的人形机器人投资 行业趋势表明，许多分析师和投资者对拟人化行业的前景持乐观态度。通用机器人的资金，包括拟人化机器人，从2022年到2024年增长了五倍，现在每年超过10亿美元。大部分资金流向中国和美国的公司。在2025年6月的一项基准分析中，麦肯锡估计通用机器人市场到2040年可能达到约3700亿美元。1 建筑施工中最早的人形部署 跨行业，最早的人形飞行员计划通常涉及在低变异环境中执行重复性、中等复杂度的任务，例如已绘制好的超市通道或布局相同的室内场景。在建筑领域已经有一些令人鼓舞的早期成果报道。例如，日本的 researchers 已创造出一个人形机器人，可以独立安装石膏板，但它尚未得到广泛的测试。3 未来几年，人形机器人建设部署可能会继续集中在狭窄的一组简单、重复性任务或中等复杂度的任务上，在高结构化区域内。尽管存在这些限制，工人与人形机器人之间的劳动分工可能会提高整体生产力，使公司能够加速发展。 思考人形机器人如何在不久的将来协助木匠。在一天的开始，人形机器人可能会准备工具并清理目标空间，让木匠能够专注于更高级的任务或专业工作。人形机器人可以在现场执行的其他简单任务可能包括粉刷墙壁和卸载卡车。 长期人形应用：更通用的助手执行更复杂的任务 为确定人形机器人在十年或更长时间内能够执行哪些建设任务，我们根据协作程度、培训难度、灵巧性要求和作业环境结构，评估了各项活动。然后，我们根据相对任务可行性程度（见附表2）对用例进行了分类。 在一个新建项目中，例如，人形机器人可以潜在地协助进行诸如现场浇筑框架结构等任务。人形机器人在新建项目中可以协助的其他活动包括以下： — 涉及建筑技术的活动，例如狭小空间中的管道安装、传感器安装和拉线 —土方工程，包括在勘测过程中收集地形数据 — 建筑服务，例如分类建筑垃圾和清理日常杂物 — 内部制造任务，包括油漆前保护表面、精确贴胶带、安装固定家具以及固定石膏板 人类仿生体预计在大规模基础设施项目和住宅、商业或机构建设中表现出很高的商业可行性。例如，人类仿生体可能对高楼或多层建筑相关项目特别有价值，这些项目通常涉及重复性任务，或者涉及建造许多相似建筑的大型住宅项目。人类仿生体还可能通过协助各种任务，如搬运、运输和定位工具；测量表面；或绘制标记，来加速道路建设。对于工业项目，大多数人类仿生体应用将很可能涉及制造。 图2 安全免责声明 进一步扩大机器人应用取决于在安全方面进行额外的工作，特别是当人工智能模型被部署来控制机器人时。需要改进的领域包括碰撞避免、故障预防、网络安全以及人工智能决策的透明度。监管空白也必须得到解决。 虽然类人生物可能能够胜任更多建筑施工任务，但它们至少在可预见的未来不会完全独立，仍需人类进行监督，确认解决方案路径，并在需要更高层次问题解决能力的环节中介入。 现在是探索人形应用的时候了 与其等待全面部署成为现实，具有远见的建筑领导者应从现在开始为一个人形机器人与人类共同工作的未来做准备。第一步，领导者应评估人形机器人在其组织中最能增加价值的地方——例如，弥补生产力差距，降低危险任务中的风险，或支持大型基础设施的建设。接下来，领导者应决定他们希望以多快的速度推进，以便他们可以将自己的公司定位为以下其中一种： — 与OEM合作主导项目的先行者 —早期采用者快速扩展成熟模型 —专注于实施具有高ROI用例的选择性部署者 每个选择都有不同的优势。先发者可能是最快扩展类人型使用、获得成本效益和提升生产力的。他们还可能有助于塑造新兴行业的标准和实践，以及吸引顶尖的技术人才，这些人才会被视为行业领袖的公司吸引。但另一方面，先发者承担风险：如果障碍，无论技术或其他方面，持续存在，他们可能看不到投资回报率。 早期采用者可能能够快速扩展并提高生产力，但不太可能定义市场标准，并且可能获得的收入低于先行者。选择性部署者将面临最低的投资风险，但会错失将自己定位为行业领导者的机会，并可能在市场发展中落后，从而可能承担更高的长期成本。 无论其部署策略如何，建筑公司应在工地上投资更好的传感器和连接性。他们还应该通过从多个来源获取稳健、特定任务的数据来构建机器人能力，这些来源包括执行任务的建筑工人视频、机器以及远程操作记录，并使用这些信息来训练模型。然后，公司可以通过虚拟仿真和数字孪生，以经济高效的方式培训拟人化机器人，并在实际部署之前验证其价值。 以面板安装为例：一家公司可以将拟人化机器人“放置”在一个数字建模的建筑工地中——带有平面图、墙壁和脚手架——并让拟人化机器人重复安装面板，从而让公司能够评估和完善性能。一个实际 部署可以先从远程操控的人形机器人开始，然后转移到专门的“创新健身房”进行实验，最终扩展到客户现场的自主运行。与此同时，建筑相关方可以创建用于人机协作的新手册，并提升工人技能以具备与机器共处所需的操作能力。相关方还可能需要考虑以下合作和具体应用： — 总承包商和开发商可以通过与类人机器人公司合作来启动试点项目；他们也可能制定人机协作路线图，并为不同的应用建立商业案例。 — 分包商可以识别任务级别的用例（例如，搬运小型面板或装满混凝土的桶），与拟人化机器人公司合作共同开发工作流程，并雇佣现场监督员以确保机器人安全。 — 设备供应商可以确定拟人化机器人如何融入其运营，以及它们如何与重型机械互补。他们还可能探索与拟人化机器人公司建立合作伙伴关系，投资基础设施（例如自动化和远程操作系统），或制定提供全面服务解决方案的计划，该解决方案包括机器、拟人化机器人和场地自动化。 利益相关者应意识到，在建筑领域部署人形机器人可能需要很长时间。尽管许多演示展示了机器人在工厂和其他场所平稳运行，但那些是高度结构化的环境，人形机器人执行重复性任务。另一方面，建筑是混乱和复杂的，中断不仅频繁，而且也是意料之中的。 类人机器人仍然代表着未来工作场所的一种愿景，而非一个即时的现实。这项