西湖大學(xué)趙世鈺教授團隊的一項突破性成果，讓全球首次實現(xiàn)多架旋翼無人機在飛行過程中交換工具，成功解決近距離飛行與高精度操作不可兼得的全球技術(shù)難題。24日，論文發(fā)表于最新一期《自然》（Nature）。
走進趙世鈺團隊的實驗室，記者看到這個名為“飛行工具箱”的空中協(xié)同操作系統(tǒng)，由一架工具箱無人機和幾架自帶機械臂的操作無人機組成。作為空中作業(yè)星空機器人的一種類型，工具箱無人機能夠攜帶爪子、剪刀等多種工具，工作時，操作無人機會飛到工具箱無人機上方，在“豎疊式”飛行狀態(tài)下用機械臂抓取所需工具，完成任務(wù)后，再將工具歸還至工具箱無人機或取新工具繼續(xù)作業(yè)。
“飛行工具箱”這一協(xié)作過程中，上方無人機的機械臂末端與下方無人機的工具頂端之間偏移不能超過1.5厘米，最大的挑戰(zhàn)來自下沖氣流。當(dāng)一架無人機飛在另一架正上方時，它的螺旋槳會向下持續(xù)吹出強烈氣流，相當(dāng)于無人機要在6級“強風(fēng)”中實現(xiàn)高精度空中對接。
“這個過程很難通過人為控制實現(xiàn)，需要自主控制。”趙世鈺團隊通過柔性電磁對接機構(gòu)、高精度對接與操作控制等技術(shù)找到解法。比如，當(dāng)工具箱無人機收到操作無人機發(fā)出的對接信號，其頂部的電磁芯片會通電、產(chǎn)生磁力，與后者的錐形凹槽借由磁力吸附。團隊還創(chuàng)新性使用數(shù)條橡膠材質(zhì)的彈性系繩，作為柔性電磁對接裝置的連接，讓對接裝置更具“彈性”。哪怕兩臺無人機對接時有稍許姿態(tài)偏移，也能保證對接成功。
“令人印象深刻的是，當(dāng)無人機在近距離飛行時，可以達到厘米級的精度。”《自然》審稿人表示。作為中國多旋翼無人機領(lǐng)域首個在《自然》發(fā)表的成果，“飛行工具箱”實驗數(shù)據(jù)顯示，相較于先前類似的無人機懸掛系統(tǒng)，其對接精度提升近10倍。
在趙世鈺看來，無人機將越來越多應(yīng)用在物品抓取與放置、高空建筑清潔、空中增材制造等復(fù)雜的空中作業(yè)中。這些任務(wù)通常需要多類型的工具或物資，但單個無人機載荷受限，難以實現(xiàn)。有了“飛行工具箱”后，操作無人機在空中就可交換工具——就像手術(shù)過程中護士將工具傳遞給外科醫(yī)生。
“我們相信，它會啟發(fā)全球更多的研究人員。”趙世鈺說，空中作業(yè)星空機器人處于低空經(jīng)濟和具身智能兩大領(lǐng)域的交匯處，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。而“飛行工具箱”就像“空中樂高平臺”，未來通過對該平臺的模塊化、可擴展設(shè)計，將幫助人類在更高更遠(yuǎn)的地方完成復(fù)雜危險的任務(wù)。
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