研究成果登上《自然》雜誌，中國無人機研究團隊接受《環球時報》專訪：學“蜂鳥採蜜”，無人機實現空中“遞工具”

【環球時報報道 記者 陳子帥】兩架無人機在空中能夠像外科醫生和護士一樣默契配合，“主刀”的操作無人機懸停在空中進行作業，而另一架“護士”無人機將工具箱的剪刀、鑷子等工具遞給“醫生”，雙方高度協同，在6級大風的高空中完成類似“手術”的高難度任務……這是中國一個科研團隊研發的一套名為“飛行工具箱”的空中協同操作系統，在國際上首次完成了多架旋翼無人機的空中工具交換，實現了“疊式”飛行狀態下的高精度協同作業。相關研究成果近日發表在《自然》（Nature）雜誌上，是中國在多旋翼無人機領域的研究成果首次登上Nature。該團隊負責人、西湖大學工學院特聘研究員趙世鈺日前接受了《環球時報》記者的專訪。

實現無人機“1+1>2”的效能

該團隊的科研起點，源於對無人機應用侷限的思考。在趙世鈺看來，單架無人機載荷有限，無法攜帶多種工具完成複雜任務，而如果將一架無人機造成“巨無霸”，又面臨成本高、體積大、靈活性差的問題。

自然界的蜂鳥採蜜以及空間站的對接給了趙世鈺靈感。“蜂鳥拍打着翅膀，懸停在一朵被風吹動的花上，把嘴伸到花蕊裏去採蜜。”而當兩架無人機在空中交換工具時，就像一隻蜂鳥懸停在花朵上採蜜。

該科研團隊的解決方案，是通過空中的工具交換實現無人機“1+1>2”的效能。他們設計的空中協同操作系統，分為兩個部分，上半部分是擁有可伸展機械臂的操作無人機，下半部分是能夠攜帶多種不同類型工具的工具箱無人機。無人機在空中能夠隨時交換工具，變成執行不同任務的“多面手”。“只有無人機之間交換了工具、電池或其他材料，才能體現它們的協同性和交互性，也只有這樣才能完成複雜任務。”趙世鈺説。

用三大“黑科技”破解6級風乾擾

然而，無人機空中“遞工具”的想法面臨一個關鍵技術難題：如果兩架多旋翼無人機要交換有效載荷，需要採取“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。但當兩架無人機上下“疊飛”時，上方的無人機會向下吹出強烈的“下洗氣流”，嚴重干擾無人機的穩定性。

據專家介紹，實驗顯示，當兩架無人機垂直距離接近至0.6米時，會產生達13.18米/秒的強烈下洗氣流，相當於氣象學上的6級“強風”。這種等級風力下，人們在風中撐傘也會有困難。因此，在現有的研究中，“疊飛”雖有出現，但通常飛行時長短暫，也未涉及精確空中操作。

如何解決近距離飛行與高精度操作之間的“矛盾”？經過長期的摸索，該研究團隊設計了3個“黑科技”核心模塊來破解這道難題。一是柔性電磁對接機構。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。即便兩架無人機接上時有稍許的位姿偏移，也能保證對接成功。二是氣流擾動估計與補償方法，是指在下方無人機的電腦中預先植入一個下洗氣流速度場模型，可以即時預測操作無人機下方任意位置的氣流速度。三是高精度對接與操作控制技術。

“最初不少人覺得這個想法太具挑戰性，甚至覺得這是異想天開。”回憶起科研歷程時，趙世鈺告訴《環球時報》記者，由於沒有先例可循，團隊只能在試錯中前行。“過去人們避免無人機飛到一起，而我們必須讓它們飛到一起，這是一個反其道而行之的過程，難度非常大。”

在實驗室測試中，這套系統做到了不少於20次的連續對接，且20次對接實驗的平均誤差為0.80釐米（標準差0.33釐米），達到了亞釐米級的精度。兩架無人機在空中完成剪綵、抓取、放置等一系列動作。此外，還完成了更加複雜的“三機協作”任務，即在增加一架操作無人機、產生強大“下洗氣流”的情況下，無人機依然在穩定狀態下完成了任務。“這些任務都是無人機自主完成的，無需人工遙控。”趙世鈺告訴記者。

未來可修風電、搞救援

據趙世鈺介紹，目前國內外許多團隊都在開展對空中作業無人機的研究，空中作業無人機由無人機和作業機構組成，後者可以是一個簡單的爪子或者一根杆子，其中目前最複雜、最先進的就是無人機和高自由度機械臂的組合。“如果不加機械臂，無人機就是六自由度的剛體在空間進行運動，但加入機械臂後，系統變得更復雜，許多問題尚未解決。”

該團隊研發的飛行工具箱就是無人機與機械臂的結合應用，相當於將機器人“搬到了天上”。趙世鈺告訴《環球時報》記者，“空中作業無人機具備了人形機器人最核心的操作和移動兩大功能，將具身智能和低空經濟兩大領域融合到一起，是一個非常有潛力的方向。”

根據趙世鈺的設想，在不久的將來，先進的空中作業機器人能夠幫助人類在更高、更遠的地方完成複雜、危險的任務。“目前國家正大力推廣清潔能源，涉及風電、光伏、建築等多領域，無人機可以飛到風機上進行維修作業，飛到高空建築物的表面進行清潔作業，飛到高山和水面救援。凡是無人機能夠飛抵，又有作業任務需求的場景，空中作業無人機都能勝任。”

如果未來要將這項科研成果進行實際應用，還需要完成哪些工作？趙世鈺認為，實驗室成果需結合場景打磨，“技術突破已經完成，接下來的工程優化同樣關鍵。”這套系統的擴展性已得到驗證，目前可支持“三機協同”，而未來可以擴展到數量更多的無人機協作任務。

趙世鈺告訴《環球時報》記者，接下來要朝着兩大方向優化該系統，在研究方面，讓它更智能、更敏捷；在產業方面，讓它更實用、更好用，方便人們操控。    

“如今機器人的底層已經越來越成熟，但將多個機器人放在一起協同作業，其中還有許多問題需要解決。”趙世鈺表示，未來，當空中作業機器人穿梭在風電塔之間，出現在救援現場……這一切都可能始於無人機測試中一次次亞釐米級的“空中握手”。