研究成果登上《自然》杂志

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【环球时报报道 记者 陈子帅】两架无人机在空中能够像外科医生和护士一样默契配合，“主刀”的操作无人机悬停在空中进行作业，而另一架“护士”无人机将工具箱的剪刀、镊子等工具递给“医生”，双方高度协同，在6级大风的高空中完成类似“手术”的高难度任务……这是中国一个科研团队研发的一套名为“飞行工具箱”的空中协同操作系统，在国际上首次完成了多架旋翼无人机的空中工具交换，实现了“叠式”飞行状态下的高精度协同作业。相关研究成果近日发表在《自然》（Nature）杂志上，是中国在多旋翼无人机领域的研究成果首次登上Nature。该团队负责人、西湖大学工学院特聘研究员赵世钰日前接受了《环球时报》记者的专访。

“叠式”飞行状态下的飞行工具箱（受访者提供）

实现无人机“1+1>2”的效能

该团队的科研起点，源于对无人机应用局限的思考。在赵世钰看来，单架无人机载荷有限，无法携带多种工具完成复杂任务，而如果将一架无人机造成“巨无霸”，又面临成本高、体积大、灵活性差的问题。

自然界的蜂鸟采蜜以及空间站的对接给了赵世钰灵感。“蜂鸟拍打着翅膀，悬停在一朵被风吹动的花上，把嘴伸到花蕊里去采蜜。”而当两架无人机在空中交换工具时，就像一只蜂鸟悬停在花朵上采蜜。

该科研团队的解决方案，是通过空中的工具交换实现无人机“1+1>2”的效能。他们设计的空中协同操作系统，分为两个部分，上半部分是拥有可伸展机械臂的操作无人机，下半部分是能够携带多种不同类型工具的工具箱无人机。无人机在空中能够随时交换工具，变成执行不同任务的“多面手”。“只有无人机之间交换了工具、电池或其他材料，才能体现它们的协同性和交互性，也只有这样才能完成复杂任务。”赵世钰说。

用三大“黑科技”破解6级风干扰

然而，无人机空中“递工具”的想法面临一个关键技术难题：如果两架多旋翼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。但当两架无人机上下“叠飞”时，上方的无人机会向下吹出强烈的“下洗气流”，严重干扰无人机的稳定性。

据专家介绍，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”。这种等级风力下，人们在风中撑伞也会有困难。因此，在现有的研究中，“叠飞”虽有出现，但通常飞行时长短暂，也未涉及精确空中操作。

如何解决近距离飞行与高精度操作之间的“矛盾”？经过长期的摸索，该研究团队设计了3个“黑科技”核心模块来破解这道难题。一是柔性电磁对接机构。这是一个在接触时会自动“吸附”的电磁智能接口，大大提升了对接的精准度。即便两架无人机接上时有稍许的位姿偏移，也能保证对接成功。二是气流扰动估计与补偿方法，是指在下方无人机的电脑中预先植入一个下洗气流速度场模型，可以实时预测操作无人机下方任意位置的气流速度。三是高精度对接与操作控制技术。

“最初不少人觉得这个想法太具挑战性，甚至觉得这是异想天开。”回忆起科研历程时，赵世钰告诉《环球时报》记者，由于没有先例可循，团队只能在试错中前行。“过去人们避免无人机飞到一起，而我们必须让它们飞到一起，这是一个反其道而行之的过程，难度非常大。”

在实验室测试中，这套系统做到了不少于20次的连续对接，且20次对接实验的平均误差为0.80厘米（标准差0.33厘米），达到了亚厘米级的精度。两架无人机在空中完成剪彩、抓取、放置等一系列动作。此外，还完成了更加复杂的“三机协作”任务，即在增加一架操作无人机、产生强大“下洗气流”的情况下，无人机依然在稳定状态下完成了任务。“这些任务都是无人机自主完成的，无需人工遥控。”赵世钰告诉记者。

未来可修风电、搞救援

据赵世钰介绍，目前国内外许多团队都在开展对空中作业无人机的研究，空中作业无人机由无人机和作业机构组成，后者可以是一个简单的爪子或者一根杆子，其中目前最复杂、最先进的就是无人机和高自由度机械臂的组合。“如果不加机械臂，无人机就是六自由度的刚体在空间进行运动，但加入机械臂后，系统变得更复杂，许多问题尚未解决。”

该团队研发的飞行工具箱就是无人机与机械臂的结合应用，相当于将机器人“搬到了天上”。赵世钰告诉《环球时报》记者，“空中作业无人机具备了人形机器人最核心的操作和移动两大功能，将具身智能和低空经济两大领域融合到一起，是一个非常有潜力的方向。”

根据赵世钰的设想，在不久的将来，先进的空中作业机器人能够帮助人类在更高、更远的地方完成复杂、危险的任务。“目前国家正大力推广清洁能源，涉及风电、光伏、建筑等多领域，无人机可以飞到风机上进行维修作业，飞到高空建筑物的表面进行清洁作业，飞到高山和水面救援。凡是无人机能够飞抵，又有作业任务需求的场景，空中作业无人机都能胜任。”

如果未来要将这项科研成果进行实际应用，还需要完成哪些工作？赵世钰认为，实验室成果需结合场景打磨，“技术突破已经完成，接下来的工程优化同样关键。”这套系统的扩展性已得到验证，目前可支持“三机协同”，而未来可以扩展到数量更多的无人机协作任务。

赵世钰告诉《环球时报》记者，接下来要朝着两大方向优化该系统，在研究方面，让它更智能、更敏捷；在产业方面，让它更实用、更好用，方便人们操控。

“如今机器人的底层已经越来越成熟，但将多个机器人放在一起协同作业，其中还有许多问题需要解决。”赵世钰表示，未来，当空中作业机器人穿梭在风电塔之间，出现在救援现场……这一切都可能始于无人机测试中一次次亚厘米级的“空中握手”。