西湖大学赵世钰教授团队的一项突破性成果，让全球首次实现多架旋翼无人机在飞行过程中交换工具，成功解决近距离飞行与高精度操作不可兼得的全球技术难题。24日，论文发表于最新一期《自然》（Nature）。
走进赵世钰团队的实验室，记者看到这个名为“飞行工具箱”的空中协同操作系统，由一架工具箱无人机和几架自带机械臂的操作无人机组成。作为空中作业机器人的一种类型，工具箱无人机能够携带爪子、剪刀等多种工具，工作时，操作无人机会飞到工具箱无人机上方，在“竖叠式”飞行状态下用机械臂抓取所需工具，完成任务后，再将工具归还至工具箱无人机或取新工具继续作业。
“飞行工具箱”这一协作过程中，上方无人机的机械臂末端与下方无人机的工具顶端之间偏移不能超过1.5厘米，最大的挑战来自下冲气流。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吹出强烈气流，相当于无人机要在6级“强风”中实现高精度空中对接。
“这个过程很难通过人为控制实现，需要自主控制。”赵世钰团队通过柔性电磁对接机构、高精度对接与操作控制等技术找到解法。比如，当工具箱无人机收到操作无人机发出的对接信号，其顶部的电磁芯片会通电、产生磁力，与后者的锥形凹槽借由磁力吸附。团队还创新性使用数条橡胶材质的弹性系绳，作为柔性电磁对接装置的连接，让对接装置更具“弹性”。哪怕两台无人机对接时有稍许姿态偏移，也能保证对接成功。
“令人印象深刻的是，当无人机在近距离飞行时，可以达到厘米级的精度。”《自然》审稿人表示。作为中国多旋翼无人机领域首个在《自然》发表的成果，“飞行工具箱”实验数据显示，相较于先前类似的无人机悬挂系统，其对接精度提升近10倍。
在赵世钰看来，无人机将越来越多应用在物品抓取与放置、高空建筑清洁、空中增材制造等复杂的空中作业中。这些任务通常需要多类型的工具或物资，但单个无人机载荷受限，难以实现。有了“飞行工具箱”后，操作无人机在空中就可交换工具——就像手术过程中护士将工具传递给外科医生。
“我们相信，它会启发全球更多的研究人员。”赵世钰说，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“飞行工具箱”就像“空中乐高平台”，未来通过对该平台的模块化、可扩展设计，将帮助人类在更高更远的地方完成复杂危险的任务。
