意大利技术研究院开发首款喷气飞行机器人，用于搜救和危化场景

这个背着喷气背包的娃娃脸机器人，是世界首个由喷气背包驱动的飞行机器。当它被吊带吊起之后随即启动推进器，并从地面升空大约 50 厘米。

该机器人的名字叫做 iRonCub-Mk3 机器人，由意大利技术研究院团队打造而来。其身高大约 1 米，体重大约 22 千克，身体尺寸设计得像孩童一般，并长着一张极具辨识度的光滑闪亮的娃娃脸。

它在起飞时使用四个推进器，其中两个安装在手臂位置，另外两个安装在喷气背包里。

此次飞行意味着该人形机器人实现了首次垂直起飞，向制造能够模仿人类能力的飞行机器人迈出了重要一步。

相关论文的第一作者是意大利技术研究院博士生达维德·戈尔巴尼（Davide Gorbani）。

实现具有预定轨迹和能被精确跟踪的飞行

据了解，本次机器人基于意大利技术研究院的 iCub3 平台。在使用时，该平台由佩戴 VR 头盔式平视显示器的操作员进行远程控制，进而能够让机器人模拟多种人类能力。

为了让机器人实现飞行，研究团队为它安装了承重支架来固定喷气背包，并增加了一个新的钛合金脊柱来支撑背包。

相比上一代，这款机器人的前臂和手特意被移除，以便为安装在手臂上的推进器腾出空间。但是，研究团队表示，如果需要仍然可以在后续版本中将手臂重新安回去。

为了确保机器人底盘能够承受起飞和飞行时的压力，研究团队进行了有限元法（FEM，Finite Element Method）分析，以便将机器人结构分解为相互连接的更小组件，这让他们得以针对喷气发动机的支架施加 750 牛顿的轴向载荷。

同时，为了让本次机器人实现飞行，必须考虑所有关节和驱动点，并将它们和推进器进行协调，以确保机器人不会偏离航向或上下颠倒地飞行。

为此，研究团队通过一种名为线性参数时变模型预测控制（MPC，Model Predictive Control）的复杂飞行控制器实现了这一目标，与此同时，还能持续计算最优关节位置与推进器油门开度。

在测试时，研究团队先是在计算机模拟中针对系统进行测试，随后才进行真实世界测试。之所以这样做，是因为操作排气温度超过 600℃ 的推进器存在较高的安全风险。最终，他们成功演示了上述具有预定轨迹和能被精确跟踪的飞行。

据了解，此前许多机器人平台通常仅仅专注于地面移动和操作，而本次机器人具备空中移动能力。一言以蔽之，这种机器人既能飞行，又能与环境互动，还可以清理废墟，也可以协助定位甚至营救受害者。这可能会为协助执行搜救任务、穿越倒塌建筑和淹水区域或进入人类无法进入的其他地形带来帮助，也可以让其针对人类难以接近的结构，比如桥梁底部进行维修，甚至可以将其部署在人类无法安全操作的危险环境中，比如核泄漏现场或化学物质泄漏现场。

当机器人从地面启动升空

据介绍，本次飞行实验在意大利技术研究院机器人与智能系统中心的露台飞行区域进行，从谷歌地球获取的该建筑的三维重建图如下图所示。

该实验设施由三个主要区域组成：首先是 iRonCub 区域，这也是执行实验飞行的主要测试区。其次是控制室，这是软件执行和实时监控的操作中心，位于距离飞行区安全的位置。再次是储藏室，这是一个有遮挡的安全储藏区域，用于存放实验所需的设备和燃料系统。下图展示了进行实验的 iRonCub 区域，图中也展示了供应喷气发动机的燃油管路，其中喷气燃料储存在防爆容器内的油箱中。

实验中，机器人被悬挂在 2 米高的起重机上，这样做既能提供足够的机动性，又能保持牢固的系留状态，从而能够避免在控制器出现故障时发生事故。

为了帮助散热并保护机器人避免受到过热影响，机器人的底部覆盖耐热气凝胶材料，这可以使其免受喷气排气高温的影响。

此外，研究团队还在地面上放置了与水泥砖相匹配的升高平台，以便能够抬起机器人，进而在测试过程中最大限度地减少热量积聚。

在控制室内，有一台笔记本电脑通过安全外壳协议（SSH，Secure Shell）连接至机器人的“车载计算机”，从而能够针对所有控制模块和估计软件模块进行远程作业。同时，还有一台专用机器处理来自固定网络摄像头的数据记录和视频录制。

另据悉，本次实验使用的数据采集系统能够支持实时遥测可视化，这有助于在飞行过程中监控系统性能。而在每个实验环节中，有两名真人实验成员留在控制室监督软件操作，同时有一名真人实验成员在实验区域附近保持安全距离。

那名在实验区域的真人实验人员可以直接监控实验，以便弥补控制室可能出现的任何沟通延迟，同时负责报告任何从内部可能无法立即察觉的问题。

为了测试整体软件架构，研究团队让机器人执行起飞操作，并将高度提升约 1 米，以及让其沿着正方形轨迹飞行。下图展示了控制器在轨迹跟踪方面的性能，由于这是一条相当缓慢且平滑的轨迹，因此机器人能够很好地跟随它。

起飞阶段大约从 t=5 秒开始，到 t=30 秒结束。在这一点之后，沿垂直（z）轴的参考轨迹开始上升，促使机器人从地面启动升空。下图展示了机器人质心（CoM，centre of mass）和基座方向的跟踪性能。

在整个测试过程中，机器人将其横滚角、俯仰角和偏航角保持在约 5 度的范围内。尽管如此，机器人在水平面上还是出现了明显的偏移，沿 x 轴的位移约为 -20 厘米，沿 y 轴的位移约为 60 厘米。

而在参考指令发出约 2.5 秒后，z 坐标开始增加，这标志着起飞正式开始。接着，机器人在空中保持了大约 3 秒的飞行状态，短暂着陆后再次起飞，并继续超出目标高度飞行了 3 秒。最后，机器人高度下降，且在姿态误差超过指定限值后，由飞行控制器自动断电。

尽管这是一次相对成功的试飞，但是依然存在一些不足。研究团队认为，机器人之所以与预期行为存在偏差，主要与仿真和现实之间的差距有关。

具体来说：

首先，模型预测控制框架依赖于喷气动力学的简化模型，因此该模型无法准确捕捉涡轮机的高动态特性。其次，喷气推进系统会引发振动，这些振动会通过机器人结构传播，并影响机载惯性和速度估计传感器，导致测量数据含噪，进而降低控制性能。此外，力-扭矩传感器的校准仍然是一项难题，而推力估算的不准确性会进一步加剧控制难度。

但是，本次机器人所搭载的系统将喷气推进技术与全身控制架构实现了成功结合，从而能够使用人形结构进行垂直飞行，这些结果证实了控制流程在理想环境下的有效性，并为实际部署奠定了坚实基础。

未来，研究团队在新的实验设置中计划实现可重复的完整起飞和着陆。另外，他们还将改进机器人基座位姿和推力估计。同时，其也将增强模型预测控制器的鲁棒性，以更好地处理建模不准确和外部干扰等问题，预计这些改进将成为迈向人形机器人实现稳定自主空中运动的关键步骤。

值得一提的是，本次研究团队所在的意大利技术研究院，曾被Nature列入世界前 50 名新星科学研究所名单中。该研究院聚焦机器人、纳米材料、生命科学与计算机科学四大领域。在机器人领域，该机构开发了 iCub、HyQ 等腿足式机器人平台，其中 iCub 正是本次飞行机器人的原型。而该机构的串联弹性驱动器技术已通过 Alberobotics 公司实现商业化。

参考资料：

https://arxiv.org/pdf/2506.01125

https://www.iit.it/people-details/-/people/davide-gorbani

https://github.com/ami-iit/paper_gorbani_mohamed_2025_ironcub3

https://alberobotics.it/

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