城市救援中，它们穿越浓烟为消防员探路，争分夺秒救人；农田上空，它们化身“空中医生”，精准喷洒农药，大幅提升农业效率……微小型无人机在人们的生活、生产中已经扮演了重要角色。
但你可曾发现，虽然这些无人机可以单飞、可以群舞，却几乎没有两架无人机能像“叠罗汉”一样，一上一下叠飞？这是因为两架无人机交叠时会产生强烈的“气流干扰”，极易出现“翻车”事故，更不用提精准作业。这个看似“简单”的动作，却是无人机技术发展的一个卡点。
北京时间9月24日晚23时，Nature报道了西湖大学工学院赵世钰实验室在该领域实现的突破，他们研发了名为FlyingToolbox（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。
这是中国在多旋翼无人机领域的研究成果首次登上Nature。当无人机从“单兵作战”迈向“群体协作”，这些空中作业机器人将在更高更远的应用场景中，进行人类难以完成的任务。
上线截图
空中作业机器人
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。现在我们所见到的无人机，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，每个单一功能的空中机器人，随时都可以变成“多面手”，通过分工协作完成各种复杂任务。
但理想很丰满，现实很骨感。
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”（人在风中撑伞有困难）。
因此，在现有的空中着陆、空中悬挂和集群飞行等研究中，“叠飞”虽也有出现，但通常飞行时长短暂，也未涉及精确空中操作。
挑战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FlyingToolbox（飞行工具箱）。
FlyingToolbox系统的组成
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，顾名思义，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。
各种操作工具
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。
机械臂与末端工具的对接过程
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。
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。在操作无人机的机械臂末端，设计了一个内部带着铁片的空腔装置；工具箱无人机的上侧，有四个环形的柔顺圆锥电磁对接装置，它们下方都可以按需装配不同的操作工具（如剪刀、爪子等），顶部则是带有电磁铁的锥体。
柔性电磁对接机构的结构和原理
当工具箱无人机收到操作无人机发出的对接信号，它顶部的电磁芯片就会通电、产生磁力，就能与后者的锥形凹槽借由磁力吸附；并且，由于柔顺圆锥电磁对接装置是用数条橡胶材质的弹性系绳连接着安装环，装在工具箱无人机顶部的，具有“弹性”（即柔顺性，可想像为一个迷你的蹦床），即便两台无人机接上时有稍许的姿态偏移，也能保证对接成功。
气流扰动估计与补偿方法。在下方无人机的电脑中，预先植入了一个下洗气流速度场模型，它融合了空气动力学原理与真实速度传感数据，可以实时预测操作无人机下方任意位置的气流速度。有了气流速度，结合两台无人机的相对距离，就能利用神经网络估计出上方无人机所产生的气流对下方无人机的影响，进一步对下方无人机的飞行作出调整。
高精度对接与操作控制技术。在操作无人机上搭载着相机，在工具箱无人机的顶部贴着十多个带有不同信息的二维码，当上方的无人机“看”到一定数量的二维码，就能判断这一刻两机的相对距离，从而移动。下方无人机根据上方气流的情况，实时调整本机6个旋翼的旋转速度，从而抵消下洗气流的影响，实现精准的位置控制（确保无人机“在原位”）和姿态控制（确保无人机“不歪斜”）。
空中作业机器人处于低空经济和具身智能两大领域的交汇处，具有广阔的产业化前景。而FlyingToolbox就像一个“空中乐高平台”，通过模块化、可扩展的设计，无人机将能根据实际需求，完成更复杂的任务。
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。
也许在不久的将来，先进的空中作业机器人能够帮助我们人类在更高、更远的地方完成复杂危险的任务——而这一切，可能就始于西湖大学赵世钰实验室里的那次亚厘米级的“空中握手”。
