來源：西湖大學

城市救援中，它們穿越濃煙為消防員探路，爭分奪秒救人；農(nóng)田上空，它們化身“空中醫(yī)生”，精準噴灑農(nóng)藥，大幅提升農(nóng)業(yè)效率……微小型無人機在人們的生活、生產(chǎn)中已經(jīng)扮演了重要角色。

但你可曾發(fā)現(xiàn)，雖然這些無人機可以單飛、可以群舞，卻幾乎沒有兩架無人機能像“疊羅漢”一樣，一上一下疊飛？

這是因為兩架無人機交疊時會產(chǎn)生強烈的“氣流干擾”，極易出現(xiàn)“翻車”事故，更不用提精準作業(yè)。這個看似“簡單”的動作，卻是無人機技術(shù)發(fā)展的一個卡點。

北京時間9月24日晚23時，

Nature

這是中國在多旋翼無人機領(lǐng)域的研究成果首次登上Nature。當無人機從“單兵作戰(zhàn)”邁向“群體協(xié)作”，這些空中作業(yè)機器人將在更高更遠的應用場景中，進行人類難以完成的任務(wù)。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09575-x

上線截圖

01

空中作業(yè)機器人

空中作業(yè)機器人是一類將多旋翼無人機和高自由度機械臂相結(jié)合的新型機器人。

現(xiàn)在我們所見到的無人機，多為“飛行的攝像機”，常用于航拍、監(jiān)測等任務(wù)。而空中作業(yè)機器人是“飛行的操作手”：它能代替人類在難以抵達的區(qū)域進行作業(yè)，進行危險物品抓取與放置、高空建筑清潔、接觸式檢修、空中增材制造等作業(yè)任務(wù)。

不過，單個空中機器人能攜帶的載荷有限，難以單獨完成復雜的空中作業(yè)任務(wù)。趙世鈺團隊設(shè)想，能否像外科手術(shù)那樣，主刀醫(yī)生專注操作，護士在一旁將剪刀、鑷子、止血鉗等遞給醫(yī)生，空中機器人們也可以各司其職，交換工具。這樣，每個單一功能的空中機器人，隨時都可以變成“多面手”，通過分工協(xié)作完成各種復雜任務(wù)。

但理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。

考慮到多旋翼無人機布局的特點，如果兩個無人機要交換有效載荷，需要采取“疊飛”的形式，即一架無人機先飛到另一架無人機的上方，再交換工具。

然而，當一架無人機飛在另一架正上方時，它的螺旋槳會向下持續(xù)地吹出強烈氣流，專業(yè)術(shù)語叫“下洗氣流”，會嚴重干擾無人機的穩(wěn)定性。 實驗顯示，當兩架無人機垂直距離接近至 0.6 米時，會產(chǎn)生達 13.18 米/秒的強烈下洗氣流，相當于氣象學上的6級“強風”（人在風中撐傘有困難）。

因此，在現(xiàn)有的空中著陸、空中懸掛和集群飛行等研究中，“疊飛”雖也有出現(xiàn)，但通常飛行時長短暫，也未涉及精確空中操作。

02

挑戰(zhàn)6級強風

近距離飛行與高精度操作，如何實現(xiàn)“魚與熊掌兼得”？趙世鈺團隊創(chuàng)造出了一個FlyingToolbox（飛行工具箱）。

圖1：FlyingToolbox系統(tǒng)的組成。

這是一套空中協(xié)同操作系統(tǒng)，由一架工具箱無人機和一架操作無人機組成（見圖1）。

工具箱無人機，顧名思義，能夠攜帶多種不同類型的末端執(zhí)行工具，如爪子、剪刀等（見圖2），你可以想象為護士手里那個裝滿各種手術(shù)器械的托盤。

而操作無人機，則是擁有可伸展的機械臂的那個“操作手”，你可以想象為主刀醫(yī)生。

圖2：各種操作工具。

趙世鈺實驗室的目標是：工作時，操作無人機飛到工具箱無人機上方，能夠像醫(yī)生那樣，手腳靈活地拾取各種工具，完成任務(wù)后放回原地，再換一個工具接著手術(shù)。全程兩機配合默契，無需人為操控。

圖3：機械臂與末端工具的對接過程。

這其中，最大的挑戰(zhàn)是必須克服豎疊式飛行時的下洗氣流，在強風中實現(xiàn)高精度空中對接。根據(jù)測算，要確保無人機對接成功，機械臂底部與工具頂部之間的水平位移必須小于 1.5 厘米；也就是上方無人機的底端與下方工具的頂端之間偏移不能超過一指半的距離。

研究團隊設(shè)計了三個“黑科技”核心模塊以破解難題：柔性電磁對接機構(gòu)、氣流擾動估計與補償方法、高精度對接與操作控制技術(shù)。

柔性電磁對接機構(gòu)。這是一個在接觸時會自動“吸附”的電磁智能接口，大大提升了對接的精準度。在操作無人機的機械臂末端，設(shè)計了一個內(nèi)部帶著鐵片的空腔裝置；工具箱無人機的上側(cè)，有四個環(huán)形的柔順圓錐電磁對接裝置，它們下方都可以按需裝配不同的操作工具（如剪刀、爪子等），頂部則是帶有電磁鐵的錐體（見圖4）。

圖4：柔性電磁對接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和原理。

當工具箱無人機收到操作無人機發(fā)出的對接信號，它頂部的電磁芯片就會通電、產(chǎn)生磁力，就能與后者的錐形凹槽借由磁力吸附；并且，由于柔順圓錐電磁對接裝置是用數(shù)條橡膠材質(zhì)的彈性系繩連接著安裝環(huán)，裝在工具箱無人機頂部的，具有“彈性”（即柔順性，可想像為一個迷你的蹦床），即便兩臺無人機接上時有稍許的姿態(tài)偏移，也能保證對接成功。

氣流擾動估計與補償方法。在下方無人機的電腦中，預先植入了一個下洗氣流速度場模型，它融合了空氣動力學原理與真實速度傳感數(shù)據(jù)，可以實時預測操作無人機下方任意位置的氣流速度。有了氣流速度，結(jié)合兩臺無人機的相對距離，就能利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計出上方無人機所產(chǎn)生的氣流對下方無人機的影響，進一步對下方無人機的飛行作出調(diào)整。

高精度對接與操作控制技術(shù)。在操作無人機上搭載著相機，在工具箱無人機的頂部貼著十多個帶有不同信息的二維碼，當上方的無人機“看”到一定數(shù)量的二維碼，就能判斷這一刻兩機的相對距離，從而移動。下方無人機根據(jù)上方氣流的情況，實時調(diào)整本機6個旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，從而抵消下洗氣流的影響，實現(xiàn)精準的位置控制（確保無人機“在原位”）和姿態(tài)控制（確保無人機“不歪斜”）。

03

眼見為實

那么，這套全新的FlyingToolbox（飛行工具箱）系統(tǒng)表現(xiàn)如何？讓我們走入趙世鈺實驗室，親臨現(xiàn)場看一看。

實驗①

看視頻1，F(xiàn)lyingToolbox能夠成功實現(xiàn)不少于20次的連續(xù)對接，且20次對接實驗的平均誤差為0.80厘米（標準差0.33厘米），這一亞厘米級的精度相較于先前的無機械臂補償?shù)膶酉到y(tǒng)（精度6-8厘米）有接近一個數(shù)量級的精度提升。

實驗②

看視頻2，F(xiàn)lyingToolbox實現(xiàn)了“雙機協(xié)作”，成功完成空中剪彩、抓取、放置等一系列動作。整個流程全部基于機載算法自主完成。

實驗③

看視頻3，F(xiàn)lyingToolbox,這一次要完成更加復雜的“三機協(xié)作”任務(wù)。從視頻中窗簾與紅絲帶的飄動可以看出，在這個過程中，三架無人機在場內(nèi)產(chǎn)生了高動態(tài)氣流，但它們依舊出色地完成了任務(wù)，展示了FlyingToolbox的穩(wěn)定性與多功能性。

實驗④

看視頻4，F(xiàn)lyingToolbox還具有“運動中對接”的能力。在之前的實驗中，下方的工具箱無人機始終保持懸停狀態(tài)，現(xiàn)在，工具箱無人機動了起來，上方的操作無人機，依然能夠順利完成工具的抓取。這個更加具有挑戰(zhàn)性的場景，拓展了這套系統(tǒng)的應用范圍。

至此，趙世鈺團隊所提出的FlyingToolbox（飛行工具箱）的空中協(xié)同操作系統(tǒng)，成功解決了近距離飛行與高精度操作之間的技術(shù)矛盾。

空中作業(yè)機器人處于低空經(jīng)濟和具身智能兩大領(lǐng)域的交匯處，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。而FlyingToolbox就像一個“空中樂高平臺”，通過模塊化、可擴展的設(shè)計，無人機將能根據(jù)實際需求，完成更復雜的任務(wù)。

接下來，他們將提高這套工具箱系統(tǒng)的性能，并向著產(chǎn)業(yè)化進發(fā)?！拔覀兿氚焉蠈右?guī)劃算法與下層機器人控制結(jié)合起來，希望能在復雜的、開放的環(huán)境當中解決實際問題……”趙世鈺說。

也許在不久的將來，先進的空中作業(yè)機器人能夠幫助我們?nèi)祟愒诟摺⒏h的地方完成復雜危險的任務(wù)——而這一切，可能就始于西湖大學趙世鈺實驗室里的那次亞厘米級的“空中握手”。

西湖大學工學院WINDY Lab助理研究員（現(xiàn)為西湖大學光電研究院朱博文團隊副研究員）曹華姿為本文的第一作者，西湖大學工學院WINDY Lab負責人趙世鈺為本文的通訊作者。

本項目得到了科技創(chuàng)新2030—重大項目、西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心、西湖大學光電研究院的支持。感謝朱博文、姜漢卿、王睿、孫一等老師對本工作投稿的支持和咨詢幫助。英國拉夫堡大學劉存佳教授和荷蘭代爾夫特孫思昊博士作為共同作者對本成果作出了重要貢獻。此外，感謝WINDY Lab助力本工作的其他小伙伴。

趙世鈺團隊合照