西湖大学工学院人工智能系特聘研究员赵世钰实验室研发了名为“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，成功解决了近距离飞行与高精度操作不可兼得的关键技术难题。9月24日，相关研究成果发表在《自然》，这也是中国在多旋翼无人机领域的研究成果首次登上《自然》。

“飞行工具箱”。课题组供图

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空中作业机器人是一类将多旋翼无人机和高自由度机械臂相结合的新型机器人。目前所见到的无人机，多为“飞行的摄像机”，常用于航拍、监测等任务。而空中作业机器人是“飞行的操作手”：它能代替人类在难以抵达的区域进行作业，进行危险物品抓取与放置、高空建筑清洁、接触式检修、空中增材制造等作业任务。

不过，单个空中机器人能携带的载荷有限，难以单独完成复杂的空中作业任务。赵世钰团队设想，能否像外科手术那样，主刀医生专注操作，护士在一旁将剪刀、镊子、止血钳等递给医生，空中机器人们也可以各司其职，交换工具。这样，空中机器人可以变成“多面手”，通过分工协作完成各种复杂任务。

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”。

近距离飞行与高精度操作，如何实现“鱼与熊掌兼得”？赵世钰团队创造出了一个飞行工具箱。这是一套空中协同操作系统，由一架工具箱无人机和一架操作无人机组成。工具箱无人机能够携带多种不同类型的末端执行工具，如爪子、剪刀等，你可以想象为护士手里那个装满各种手术器械的托盘。而操作无人机，则是拥有可伸展的机械臂的那个“操作手”，你可以想象为主刀医生。

赵世钰实验室的目标是，工作时，操作无人机飞到工具箱无人机上方，能够像医生那样，手脚灵活地拾取各种工具，完成任务后放回原地，再换一个工具接着手术。全程两机配合默契，无需人为操控。

这其中，最大的挑战是必须克服竖叠式飞行时的下洗气流，在强风中实现高精度空中对接。根据测算，要确保无人机对接成功，机械臂底部与工具顶部之间的水平位移必须小于1.5厘米；也就是上方无人机的底端与下方工具的顶端之间偏移不能超过一指半的距离。

研究团队设计了三个“黑科技”核心模块以破解难题：柔性电磁对接机构、气流扰动估计与补偿方法、高精度对接与操作控制技术，成功解决了近距离飞行与高精度操作之间的技术矛盾。接下来，他们将提高这套工具箱系统的性能，并向着产业化进发。“我们想把上层规划算法与下层机器人控制结合起来，希望能在复杂的、开放的环境当中解决实际问题……”赵世钰说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09575-x