6级强风中，它们在空中“牵手成功”

潮新闻 记者 纪驭亚 通讯员 张弛

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无人机，很多人熟悉。但你也许还不知道，就在昨晚，无人机技术发展的一个世界级卡点被突破了——

西湖大学赵世钰教授团队的一项突破性成果，全球首次实现多架旋翼无人机在飞行过程中交换工具，成功解决近距离飞行与高精度操作不可兼得的全球技术难题。24日晚上23时，论文发表于最新一期《Nature》。这也是中国在多旋翼无人机领域的研究成果首次登上《Nature》。

（赵世钰介绍研究成果。视频 / 受访者）

简单来说，原来无人机可以单飞、可以群舞，但很少有两架无人机能像“叠罗汉”一样，一上一下叠飞。这是因为两架无人机交叠时会产生强烈的“气流干扰”，极易出现“翻车”事故，更不用提精准作业。但赵世钰教授和团队找到了不仅能让无人机叠飞，还能让无人机在空中精准牵手并交换工具的核心技术。

怎么做到的？有风君替大家去西湖大学探了探。

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走进赵世钰团队的实验室，有风君一眼就看到了这个名为“FlyingToolbox”（飞行工具箱）的空中作业机器人系统。

这个长得颇有科技感的空中协同操作系统：由一架工具箱无人机和几架自带机械臂的操作无人机组成。作为空中作业机器人的一种类型，工具箱无人机能够携带爪子、剪刀等多种工具，工作时，操作无人机会飞到工具箱无人机上方，在“竖叠式”飞行状态下用机械臂抓取所需工具完成任务后，再将工具归还至工具箱无人机或取新工具进行作业。

这个看似“简单”的对接动作，却一直是无人机技术发展的一个卡点。

该项研究成果，FlyingToolbox（飞行工具箱）系统的组成。图 / 受访者

考虑到多旋翼无人机布局的特点，如果两个无人机要交换有效载荷，需要采取“叠飞”的形式，即一架无人机先飞到另一架无人机的上方，再交换工具。

然而，当一架无人机飞在另一架正上方时，它的螺旋桨会向下持续地吹出强烈气流，专业术语叫“下洗气流”，会严重干扰无人机的稳定性。

实验显示，当两架无人机垂直距离接近至0.6米时，会产生达13.18米/秒的强烈下洗气流，相当于气象学上的6级“强风”。6级是什么概念？就是你在风中撑伞，都会感觉困难。

而在这种“强风”中，上方无人机的机械臂末端与下方无人机的工具顶端之间偏移不能超过1.5厘米，方能顺利取物。

因此，在现有的空中着陆、空中悬挂和集群飞行等研究中，“叠飞”虽也有出现，但通常飞行时长短暂，也未涉及精确空中操作。

机械臂与末端工具的对接过程。图 / 受访者

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赵世钰团队创造出的“FlyingToolbox”，解决的就是“鱼与熊掌兼得”的难题，让近距离飞行与高精度操作同时实现。

在赵世钰看来，无人机将越来越多地应用在物品抓取与放置、高空建筑清洁、空中增材制造等复杂的空中作业中。这些任务通常需要多类型的工具或物资，但单个无人机载荷受限，难以实现。有了“FlyingToolbox”后，操作无人机在空中就可交换工具——就像手术过程中，护士将工具传递给主刀医生。如此一来，每个单一功能的空中机器人，随时都可以变成“多面手”，通过分工协作完成各种复杂任务。

因此，团队通过柔性电磁对接机构、高精度对接与操作控制等技术找到解法。

比如，当工具箱无人机收到操作无人机发出的对接信号，其顶部的电磁芯片会通电、产生磁力，与后者的锥形凹槽借由磁力吸附。团队还创新性地使用数条橡胶材质的弹性系绳，作为柔性电磁对接装置的连接，让对接装置更具“弹性”。哪怕两台无人机对接时有稍许姿态偏移，也能保证对接成功。

柔性电磁对接机构的结构和原理。图 / 受访者

《自然》审稿人在审稿意见中也提到了这一点，“令人印象深刻的是，当无人机在近距离飞行时，可以达到厘米级的精度。”

“这个对接过程人为控制很难实现，需要自主控制。”赵世钰说，“飞行工具箱”实验数据显示，相较于先前类似的无人机悬挂系统，其对接精度提升近10倍。

不仅如此，团队还在操作无人机上搭载着相机，在工具箱无人机的顶部贴着十多个带有不同信息的二维码。当上方的无人机“看”到一定数量的二维码，就能判断这一刻两机的相对距离，进行移动。下方无人机则根据上方气流的情况，实时调整本机6个旋翼的旋转速度，从而抵消“下洗气流”的影响，实现精准的位置控制和姿态控制。

赵世钰团队合照。图 / 受访者

“我们相信，它会启发全球更多的研究人员。”赵世钰说，空中作业机器人处于低空经济和具身智能两大领域的交汇处，具有广阔的产业化前景。而“飞行工具箱”就像“空中乐高平台”，未来，通过对该平台的模块化、可扩展设计，将帮助人类在更高更远的地方完成复杂危险的任务。

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