人形機器人專題(上篇):歷史、變化與未來
報告出品方:東北證券
以下為報告原文節(jié)選
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1. 歷史:工業(yè)類人形機器人嶄露鋒芒
1.1. 人形機器人發(fā)展的三階段
人形機器人的“萌芽階段”(1960-1990)。這一階段的人形機器人特征為初具“人形態(tài)”,研發(fā)重點著重在機器人的“下肢運動”。1968 年,美國的通用電氣公司(R.Smosher)試制了一臺名為“Rig”的操縱型雙足步行機器人機械,同年,日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機器人的研制工作,并先后推出了WAP-1、WAP-3、WL-5 等持續(xù)迭代的雙足機器人版本,自此人形機器人產(chǎn)業(yè)步入萌芽階段。此外,除了日本在人形機器人研制上做出較大貢獻(xiàn)外,包括英國、蘇聯(lián)等國家也紛紛加入機器人的研制上,例如,英國于 1970 年研制成功的“Witt”型雙足機器人,蘇聯(lián)則研制出兩輪雙足行走機器人。
而我國在人形機器人的研發(fā)起步相對較慢,自 1985 年始,國內(nèi)幾所科研院校才陸續(xù)開始人形機器人的研發(fā)工作,而直到 2000 年,中國國防科技大學(xué)經(jīng)過多年的努力成果才研制出我國第一臺仿人型機器人“先行者”,哈爾濱工業(yè)大學(xué)也自 1985 年研發(fā)雙足步行機器人以來,先后推出 HJT-I、HJT-II、HJT-III 等型號的機器人。
人形機器人的“發(fā)展階段”(1990-2010)。這一階段的人形機器人特征為附加更多功能,研發(fā)重點從之前的“如何實現(xiàn)更好行走”到“賦予機器人更多其他的‘仿人特征’”。自 1986 年開始,日本豐田公司推出了 P 系列 1-3 型機器人,在 1997 年推出了“P3”和 2000 年推出了“ASIMO”,“ASIMO”除了優(yōu)化步行方式外,還增加了對手部的操作和控制。同年,日本索尼于 2000 年推出人形娛樂機器人 SDR-3X,該機器人較以往產(chǎn)品最大的區(qū)別在于配備了聲音識別和圖像識別功能,可以根據(jù)音樂實現(xiàn)節(jié)奏運動。豐田和索尼公司推出的新一代人形機器人,將仿人機器人的研制和生產(chǎn)正式推向?qū)嵱没?、工程化和市場化?br/>
人形機器人的“百花齊放階段”(2010 至今)。這一階段的人形機器人特征為 “智能化”,研發(fā)重點從之前的“賦予機器人更多其他的‘仿人特征’”到“機器人如何衍生自主決策能力”。海外方面,波士頓動力、特斯拉、Engineered Arts、軟銀等海外科技企業(yè)紛紛發(fā)布自主研發(fā)的人形機器人,比如 2015 年軟銀率先實現(xiàn)人形機器人的商業(yè)化進(jìn)程、2021 年波士頓動力展示運動能力出色的 Atlas、2022 年特斯拉發(fā)布 Optimus 原型機等。國內(nèi)方面,小米、優(yōu)必選、傅利葉智能等廠商也積極入局。
該階段的人形機器人除了運動模塊和感知模塊更為成熟外,最突出的特點就是大模型的應(yīng)用,機器人的訓(xùn)練速度和效率大大提高、強化機器人的自主決策能力。
1.2. 以工業(yè)類為代表的產(chǎn)品持續(xù)迭代
人形機器人發(fā)展至今,涌現(xiàn)出適用于各種應(yīng)用場景的產(chǎn)品,按照目前主流的場景應(yīng)用分類,可大致分為工業(yè)類、娛樂&服務(wù)類等兩大類,對應(yīng)用在工業(yè)場景、家庭&商業(yè)場景。工業(yè)類人形機器人主要用于處理物流、制造、安保和復(fù)雜任務(wù)等領(lǐng)域的工業(yè)場景,替代的是低級和高危人工勞動、以及部分傳統(tǒng)工業(yè)機器人無法勝任的工種,比如流水線的后道工序。娛樂類主要實現(xiàn)情感交互和表演展覽等場景,而服務(wù)類則主要是從事家庭服務(wù)、教育、引導(dǎo)、送餐等場景。
1.2.1. 工業(yè)類的代表之作
由于工業(yè)場景相較于家庭、商用場景而言,環(huán)境的可預(yù)測、可控性更強以及機器人自身造成危害的影響性更低,對處于發(fā)展初期的人形機器人而言,工業(yè)場景的容錯率相對更高,因此比較適合廠商作為人形機器人投放的第一站??v觀近幾年的機器人新品,工業(yè)類產(chǎn)品進(jìn)展也相對較快,比如波士頓動力的 Atlas、特斯拉的 Optimus、Agility Robotics 的 Digit 等。
波士頓動力:成立于 1992 年,公司先后借助美國軍方、谷歌、軟銀、現(xiàn)代集團(tuán)等股東的支持,陸續(xù)發(fā)布了 Big Dog、Little Dog、Cheetah、Spot 等四足機器狗和 Atlas 等雙足機器人。于 2022 年和母公司現(xiàn)代汽車共同成立了 BDAII(波士頓動力人工智能研究所),目標(biāo)是“引領(lǐng)人工智能和機器人技術(shù)的進(jìn)步”,目前在圍繞 Spot 和 Stretch這類機器人的商業(yè)道路和獨立的完全專注于 Atlas 的技術(shù)研究道路兩條路線上齊頭并進(jìn)。
? Atlas:高約 1.5 米,重 80 公斤,擁有 28 個自由度,主動力來源為電池,驅(qū)動方式為液壓,配備 RGB 與深度相機,機器人本體共搭載 3 臺 NUC/工控機負(fù)責(zé)整體控制系統(tǒng)的運算。Atlas 最突出的亮點是能實現(xiàn)像人一樣奔跑、跳躍和跨越障礙,而實現(xiàn)這種跑酷動作的核心源于其獨特的感知、規(guī)劃、驅(qū)動以及驅(qū)動背后的制造技術(shù)。
感知能力:基于配備的 RGB 攝像頭和 TOF 深度傳感器,Atlas 能快速生成環(huán)境的點云,再使用一種名為多平面分割的算法從點云中提取平面,機器人中的映射系統(tǒng)將算法獲取的信息構(gòu)建模型,從而輔助后續(xù)的行為規(guī)劃。
規(guī)劃能力:一方面,設(shè)計人員通過離線優(yōu)化,為 Atlas 不斷創(chuàng)建新的運動軌跡,而在這些給定的軌跡設(shè)計下,Atlas 會在實際行動中盡量選擇與之匹配的行為動作,從而減少相關(guān)的計算量,提升運動準(zhǔn)確性。另一方面,在實際的運動過程中,Atlas 會使用 MPC(模型預(yù)測控制器,該控制器使用機器人動力學(xué)模型來預(yù)測機器人未來的動作并計算出當(dāng)前要做的最優(yōu)動作)來調(diào)整實時的力、姿勢和行為時間等細(xì)節(jié),以完成“沒有見過的動作”。進(jìn)一步而言,MPC 的預(yù)測特性還允許 Atlas 跨越行為邊界來查看后續(xù)動作,使得機器人能實現(xiàn)從一個動作到另一個動作的平滑過渡。
運動能力:在完成感知和動作規(guī)劃后,機器人要“跑起來”,而液壓系統(tǒng)為 Atlas 產(chǎn)生了強大的推力,在同樣的空間內(nèi),用液壓元件所做的功是電機的數(shù)倍甚至是數(shù)十倍,因此液壓系統(tǒng)能幫助機器人實現(xiàn)奔跑、跳躍、后空翻等高難度的動作。
制造技術(shù):感知、規(guī)劃、運動是 Atlas 跑酷的核心程序,而這些動作實現(xiàn)的背后離不開“如何將重達(dá) 80kg 的物體推上天”的制造技術(shù)。波士頓動力將 3D 打印應(yīng)用于制造 Atlas 機器人的液壓動力單元(HPU),用于生產(chǎn)穩(wěn)態(tài)控制器、傳感器、過濾器、排污閥等部件,好處是可以制造緊湊、輕量型閥塊,極大減輕重量并提高空間利用率,從而賦予 Atlas 跳躍和翻騰所需的強度/重量比。
Agility Robotics:成立于 2015 年,公司以生產(chǎn)腿部行走機器人為主,專門為物流和制造企業(yè)提供倉庫機器人,以應(yīng)對季節(jié)性需求波動造成的勞動力短缺,主要是可以協(xié)助人工完成卸貨搬箱、管理貨架、最后一公里配送等任務(wù)。
? Digit:高約 1 米,重 31 公斤,擁有 18 個自由度。Digit 在高難度動作、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)等高階維度可能不如波士頓動力的 Atlas 以及特斯拉的 Optimus,但是作為倉儲的搬運機器人,其突出的特點就是“實用”,即能在不充電情況下“暴走”5km,意味著 Digit 能較好地自適應(yīng)工廠中的各種復(fù)雜場地和實現(xiàn)高續(xù)航能力,完美適配特定場所的使用需求,而能實現(xiàn)穩(wěn)定敏捷的運動,核心源于其深度學(xué)習(xí)能力和獨特的運動設(shè)計。
學(xué)習(xí)能力:讓 Digit 學(xué)會走路,需要用到強化學(xué)習(xí)和模仿學(xué)習(xí)。其中,強化學(xué)習(xí)解決馬爾可夫決策過程( Markov Decision Process, MDP)的最優(yōu)策略,需要用到策略梯度算法;而模仿學(xué)習(xí)則需要解決參數(shù)策略問題。用關(guān)鍵算法 DASS 來搞定數(shù)據(jù)集,再將 DASS 于強化學(xué)習(xí)、模仿學(xué)習(xí)結(jié)合在一起,為機器人設(shè)定策略。通過強化學(xué)習(xí)和模擬學(xué)習(xí),訓(xùn)練雙足機器人模擬及適應(yīng)不同高度的地面變化,而且只需要稍加改變現(xiàn)有的平地強化學(xué)習(xí)框架,就可以在樓梯、不平的地面等場景中穩(wěn)健地行走。
運動設(shè)計:在下肢架構(gòu)上,Digit 及其第一代產(chǎn)品 Cassie 最大的特點就是他的“鴕鳥腿”,在動力學(xué)部分參考了鳥類步態(tài),尤其是鴕鳥,膝蓋設(shè)計成彎曲形狀,能以比較自然的方式去減緩震動。同時在自由度配置上,Digit 在下肢也配備了較多的自由度,每條腿 5 個自由度,其中臀部 3 個,允許腿向前、后、側(cè)三個方向擺動,脛骨和腳踝各 1 個自由度,但區(qū)別于臀部由電機驅(qū)動,后兩者是附著在彈簧上,有助于機器人在遇到障礙物時也能保持平衡。另外,Digit V2 版本還對足部進(jìn)行了優(yōu)化,增加了橫滾自由度,使得 Digit 可以在不進(jìn)行側(cè)向踩踏的條件下抵抗側(cè)向力沖擊,甚至可以實現(xiàn)單腳的靜態(tài)平衡。
1.2.2. 娛樂&服務(wù)類的代表之作
工業(yè)類人形機器人側(cè)重點在“工作”,而娛樂&服務(wù)類則著重在“交互”,前者更多是在傳統(tǒng)工業(yè)機器人基礎(chǔ)上增加“人形態(tài)”,使得機器人更適合替代人類工作,而后者在某種意義層面更符合“仿人機器人”的概念本質(zhì)---能成為“人”。
Engineered Arts:成立于 2005 年,公司至今推出了 6 款機器人,最新型號 Ameca是 Engineered Arts 機器人技術(shù)的集大成者。公司的產(chǎn)品已用于娛樂與教育行業(yè)。
? Ameca:高 1.87 米,重 49 公斤,擁有 51 個主要關(guān)節(jié)并配置 52 個電動馬達(dá)。
Ameca 最突出的特點就是能實現(xiàn)復(fù)雜的臉部表情管理,而這樣逼真的仿人表情核心在于結(jié)合了 AI 與 AB(Artificial Body)技術(shù)。此外,Ameca 在近期接入了 GPT-4 訓(xùn)練其語言能力、嵌入了 Stable Diffusion 賦予了自身繪畫能力。因此,可以看到 Ameca 除了運動能力外,在各方面都不斷逼近人類的真實行為。
而 Ameca 能實現(xiàn)這樣的動作表現(xiàn),離不開其底層系統(tǒng),包括機器人操作系統(tǒng)Tritium 和工程藝術(shù)系統(tǒng) Mesmer。
Tritium:該系統(tǒng)類似于“大腦”,主要負(fù)責(zé)智能化和各個機械結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)動。Tritium可以直接在瀏覽器運行,適用幾乎任何編碼語言和多種軟件,登錄后即可快速處理各種數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程控制機器人面部、頭頸、四肢等的各方面組件,使得機器人適應(yīng)環(huán)境的突然變化并即時做出響應(yīng),保證人機交互的安全和樂趣。
Mesmer:該系統(tǒng)負(fù)責(zé)展現(xiàn)身而為人的“靈魂”,像是給出人類的情緒表情和肢體語言。為了讓 Ameca 看起來像人,Mesmer 平臺首先解決的是關(guān)節(jié)問題,通過對頸部的設(shè)計,讓頭部可順滑轉(zhuǎn)移到任何方位,其次是通過搭配 LIDAR 設(shè)計偵測移動物體,讓機器人能一直注視和它說話的人類,然后通過對手臂、手腕、肩部等部位的設(shè)計,讓機器人能做出微妙的肢體語言,比如“聳肩”,最后搭配上人工皮膚,使得Ameca 從語言表達(dá)到行為動作,都表現(xiàn)得和人一樣流暢自然。
2. 問題&變化:政策扶持加碼,軟件端迎來奇點
人形機器人從提出概念到最近一年各廠商最新型號的推出,已經(jīng)邁過了 60 個年頭,發(fā)展階段也從“萌芽”到現(xiàn)今的“百花齊放”,工業(yè)類出現(xiàn)了以波士頓動力、特斯拉為代表的優(yōu)秀產(chǎn)品,娛樂&服務(wù)類進(jìn)展也持續(xù)推進(jìn),特別是最近幾年,人形機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展持續(xù)超乎市場預(yù)期。而站在當(dāng)前時點,我們可以看到整個人形機器人產(chǎn)業(yè)自上而下都出現(xiàn)了推動產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品向下一階段演變的新變化,另一方面從產(chǎn)品本身角度來看,人形機器人也存在不少的問題有待解決。具體而言:
? 產(chǎn)業(yè)維度:今年以來,國內(nèi)針對人形機器人的政策走向更為積極的方向,包括對產(chǎn)業(yè)的頂層設(shè)計和產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)扶持都陸續(xù)出臺了相關(guān)政策,人形機器人的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)環(huán)境正逐步得到優(yōu)化,我們認(rèn)為,此舉或類似此前新能源車和光伏產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前夕,政策的持續(xù)加碼下的產(chǎn)業(yè)正逐步走出平臺期、邁向下一階段。
? 產(chǎn)品維度:人形機器人按照系統(tǒng)進(jìn)行劃分,可大致分為感知、控制、執(zhí)行系統(tǒng),其中感知和控制系統(tǒng)主要依賴算法、模型等軟件,執(zhí)行系統(tǒng)則主要是通過執(zhí)行器及其中的零部件來實現(xiàn)。軟件端,隨著近年來大模型的爆發(fā)性發(fā)展,機器人的算法訓(xùn)練、感知能力和人機交互等方面都得到極大地改善,可以說軟件端在這一輪 AI 革命中迎來了奇點時刻,機器人作為 AI 技術(shù)的載體也跟隨 AI 的變革出現(xiàn)了巨大變化。硬件端,相較于軟件端的問題不斷得到優(yōu)化,機器人在下肢行走和手部集成等方面上仍存在一定的硬件問題。
簡而言之,我們認(rèn)為,雖然硬件端的問題有待完善,但受益于產(chǎn)業(yè)維度的政策催化和產(chǎn)品維度的軟件優(yōu)化,人形機器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)該會比之前的三個發(fā)展階段“走得更快”,更多的優(yōu)秀產(chǎn)品也有望加速落地,推動人形機器人最終走向人類社會。
2.1. 產(chǎn)業(yè)維度:國內(nèi)政策不斷加碼今年以來,針對機器人以及人形機器人的政策呈現(xiàn)顯著變化。
? 一是從數(shù)量維度來看,2023 年提出的相關(guān)文件明顯要比往年更多,根據(jù)不完全統(tǒng)計,今年出臺的政策文件共計 6 份,而 2019-2022 年間共計出臺的相關(guān)政策文件才 8 份,可以看到國家在對機器人產(chǎn)業(yè)的扶持力度上不斷加碼;
? 二是發(fā)布政策的部門由中央層面逐步擴散到地方層面,比如在 2019-2022 年,發(fā)行部門均為包括發(fā)改委、工信部、科技部等部委級以上的單位,但是今年以來,包括上海、深圳、北京等一線城市均出臺了相關(guān)的機器人行動方案,我們認(rèn)為此舉意味著各地政府開始深入落實國家對于機器人產(chǎn)業(yè)的支持指導(dǎo),有望加速機器人產(chǎn)業(yè)的落地,推動相關(guān)企業(yè)在主流城市的發(fā)展;
? 三是從政策的內(nèi)容來看,今年以來出臺的政策更多提及“人形機器人”這一概念,而非籠統(tǒng)的“機器人”,比如北京的《行動方案》中,提及“對標(biāo)國際領(lǐng)先人形機器人產(chǎn)品,支持企業(yè)和高校院所開展人形機器人整機產(chǎn)品、關(guān)鍵零部件攻關(guān)和工程化,加快建設(shè)北京市人形機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心,爭創(chuàng)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心。”,可以看出,政策的重點從最初聚焦在傳統(tǒng)工業(yè)機器人逐步擴散到人形機器人上面。
進(jìn)一步而言,即使是今年發(fā)布的機器人政策也呈現(xiàn)出顯著變化。我們將北京市在 6月 28 日發(fā)布的《北京市機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動方案(2023—2025 年)》,與之前上海、深圳、山東等省市發(fā)布的相關(guān)政策作對比,可以發(fā)現(xiàn),最明顯的區(qū)別在于:之前的政策更多是立足在頂層設(shè)計維度對機器人及人形機器人產(chǎn)業(yè)作出指導(dǎo),對產(chǎn)業(yè)在發(fā)展趨勢上提供了建議,而北京的《行動方案》除了頂層設(shè)計外,特別地將人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中重要的零部件單獨提出來,包括減速器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、控制器、傳感器、末端執(zhí)行器等,對其也同樣提出了對應(yīng)的指導(dǎo)意見。
我們認(rèn)為,北京的《行動方案》有著更為重要的意義,一是代表著產(chǎn)業(yè)政策從頂層設(shè)計落腳到具體的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),為各地方政府對相關(guān)企業(yè)的扶持提供了更為明確的指導(dǎo)和要求,加速具體細(xì)則的落地;二是重點提及人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對技術(shù)難度大且價值量高的零部件環(huán)節(jié)和企業(yè)提供支持,有望進(jìn)一步完善我國人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈,為后續(xù)產(chǎn)業(yè)鏈降本奠定基礎(chǔ),加速下游人形機器人產(chǎn)品的迭代和商業(yè)化落地。
2.2. 產(chǎn)品維度:軟件端迎來奇點,硬件端有待優(yōu)化
2.2.1. 軟件端:AI 賦能機器人
在人形機器人的產(chǎn)品層面,軟件端的變化顯得尤為突出,特別是 AI 技術(shù)的發(fā)展,逐步滲透到機器人研發(fā)和生產(chǎn)中,并在算法訓(xùn)練、感知能力、人機交互等多個維度對人形機器人產(chǎn)生重大影響。
2.2.1.1. 算法訓(xùn)練
在現(xiàn)實世界中構(gòu)建機器人需要從頭開始創(chuàng)建數(shù)據(jù)集,這樣做既耗時又耗費成本,并且訓(xùn)練速度較慢。開發(fā)人員為了降低成本并加快訓(xùn)練,逐步開始采用合成數(shù)據(jù)生成(SDG)、預(yù)訓(xùn)練 AI 模型(pretrained AI models)、機器人仿真(robotics simulation)、遷移學(xué)習(xí)(transfer learning)等一系列工具。而以英偉達(dá)、谷歌為代表的大廠近幾年在這些工具開發(fā)上均取得較好進(jìn)展,為機器人客戶在研發(fā)和訓(xùn)練上提供更為成熟的工具。
1) 英偉達(dá)
Isaac 是英偉達(dá)推出的一款專門用于機器人環(huán)境模擬的引擎,提供從數(shù)據(jù)合成和訓(xùn)練、到仿真和測試的全流程配套支持,他融合了機器人相關(guān)的深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)、SLAM、圖像處理等的算法?;谟ミ_(dá)強大的硬件支持,相較于此前常用的仿真器(VREP、ROS 等),Isaac 在性能、算法、渲染效果、生態(tài)支持等維度都明顯更為出色。
? 數(shù)據(jù)合成:Isaac Sim 是英偉達(dá)的一個機器人模擬應(yīng)用程序及合成數(shù)據(jù)生成的工具,而 Isaac Sim Replicator 作為其中用于合成數(shù)據(jù)生成的引擎,可以生成物理級精確的 3D 合成數(shù)據(jù),用以加速 AI 感知模型的訓(xùn)練和性能。
? 模型訓(xùn)練:NVIDIA NGC 匯集了通過 GPU 優(yōu)化的 AI 軟件、模型和 Jupyter Notebook 示例,包括各種預(yù)訓(xùn)練模型以及為 NVIDIA AI 平臺優(yōu)化的 AI 基準(zhǔn)和訓(xùn)練方式。研發(fā)人員通過 NVIDIA NGC 選擇合適的預(yù)訓(xùn)練 AI 模型后,通過NVIDIA TAO 進(jìn)行進(jìn)一步的訓(xùn)練和微調(diào)(NVIDIA TAO 作為一個可使用自定義數(shù)據(jù)訓(xùn)練、調(diào)整和優(yōu)化的框架,使用 NVIDIA TAO 工具包能幫助研發(fā)人員微調(diào)NVIDIA NGC 目錄中的預(yù)訓(xùn)練 AI 模型)。
? 仿真和測試:研發(fā)人員通過使用仿真器,檢測物體之間的潛在碰撞和識別碰撞物體之間的接觸點,并計算機器人的傳感器信號,借此來構(gòu)建虛擬場景,在這個虛擬世界中,開發(fā)人員創(chuàng)建了機器人、環(huán)境以及機器人可能遇到的其他資產(chǎn)的數(shù)字版本。這些環(huán)境可以遵守物理定律,并模仿現(xiàn)實世界的重力、摩擦、材料和照明條件。在所構(gòu)建的虛擬場景中,研發(fā)人員通過此前搭建的預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行運動規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃,并讓機器人執(zhí)行任務(wù)。在對虛擬場景中執(zhí)行任務(wù)的機器人進(jìn)行多次試錯和調(diào)整,以此不斷優(yōu)化控制信號,從而驗證和優(yōu)化機器人的設(shè)計、系統(tǒng)及其算法,為機器人在現(xiàn)實世界執(zhí)行任務(wù)實現(xiàn)最高效率打下基礎(chǔ)。
至此,英偉達(dá)的 Isaac 平臺從數(shù)據(jù)合成、模型訓(xùn)練到仿真測試等提供了全流程的配套支持,幫助機器人客戶實現(xiàn) 0-1 構(gòu)建一個機器人,并大大降低了訓(xùn)練的成本和提高了機器人訓(xùn)練的速度。
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