西湖大學(xué)趙世鈺教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)突破性成果，讓全球首次實(shí)現(xiàn)多架旋翼無人機(jī)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(jìn)趙世鈺團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室，記者看到這個(gè)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(jī)和幾架自帶機(jī)械臂的操作無人機(jī)組成。作為空中作業(yè)星空機(jī)器人的一種類型，工具箱無人機(jī)能夠攜帶爪子、剪刀等多種工具，工作時(shí)，操作無人機(jī)會(huì)飛到工具箱無人機(jī)上方，在“豎疊式”飛行狀態(tài)下用機(jī)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(jī)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(jī)的機(jī)械臂末端與下方無人機(jī)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(jī)飛在另一架正上方時(shí)，它的螺旋槳會(huì)向下持續(xù)吹出強(qiáng)烈氣流，相當(dāng)于無人機(jī)要在6級(jí)“強(qiáng)風(fēng)”中實(shí)現(xiàn)高精度空中對(duì)接。
“這個(gè)過程很難通過人為控制實(shí)現(xiàn)，需要自主控制。”趙世鈺團(tuán)隊(duì)通過柔性電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)、高精度對(duì)接與操作控制等技術(shù)找到解法。比如，當(dāng)工具箱無人機(jī)收到操作無人機(jī)發(fā)出的對(duì)接信號(hào)，其頂部的電磁芯片會(huì)通電、產(chǎn)生磁力，與后者的錐形凹槽借由磁力吸附。團(tuán)隊(duì)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(duì)接裝置的連接，讓對(duì)接裝置更具“彈性”。哪怕兩臺(tái)無人機(jī)對(duì)接時(shí)有稍許姿態(tài)偏移，也能保證對(duì)接成功。
“令人印象深刻的是，當(dāng)無人機(jī)在近距離飛行時(shí)，可以達(dá)到厘米級(jí)的精度。”《自然》審稿人表示。作為中國多旋翼無人機(jī)領(lǐng)域首個(gè)在《自然》發(fā)表的成果，“飛行工具箱”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，相較于先前類似的無人機(jī)懸掛系統(tǒng)，其對(duì)接精度提升近10倍。
在趙世鈺看來，無人機(jī)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(gè)無人機(jī)載荷受限，難以實(shí)現(xiàn)。有了“飛行工具箱”后，操作無人機(jī)在空中就可交換工具——就像手術(shù)過程中護(hù)士將工具傳遞給外科醫(yī)生。
“我們相信，它會(huì)啟發(fā)全球更多的研究人員。”趙世鈺說，空中作業(yè)星空機(jī)器人處于低空經(jīng)濟(jì)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(tái)”，未來通過對(duì)該平臺(tái)的模塊化、可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，將幫助人類在更高更遠(yuǎn)的地方完成復(fù)雜危險(xiǎn)的任務(wù)。
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