圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

空地合體機(jī)器人CSAGR的原型機(jī)

在《變形金剛》《鋼鐵俠》等科幻作品里，我們總能見到空、地合體的炫酷裝備：凌空奔赴而來的飛行模組，會精準(zhǔn)拼接到地面機(jī)器人主體上，賦予它飛行能力；智能戰(zhàn)甲也能自己飛來并貼合到超級英雄的身體上。

在這些設(shè)定里，“合體”都非常簡單和安全：對接對準(zhǔn)后，卡扣一鎖定，組裝立刻完成。然而，如果放到工程現(xiàn)實(shí)中，這種動態(tài)下的空地設(shè)備間的對接，將遠(yuǎn)比影視作品演繹得復(fù)雜和危險。盡管目前無人機(jī)和地面機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)已非常成熟，但空、地機(jī)器人合體的成熟產(chǎn)品卻幾乎沒有。

不過令人興奮的是，就在最近，一支由北京航空航天大學(xué)丁希侖教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊針對空地可組合、分離的機(jī)器人展開技術(shù)攻堅，圍繞對接過程的接觸動力學(xué)、動態(tài)軌跡跟蹤等多個核心難題方面取得關(guān)鍵進(jìn)展，讓科幻感十足的空地機(jī)器人合體構(gòu)想，一步步落地成了工程現(xiàn)實(shí)。

（圖片來源：《鋼鐵俠3》

空、地單元的精準(zhǔn)對接和組合在科幻影視中很常見

實(shí)用卻難以實(shí)現(xiàn)：機(jī)器人“合體”有何現(xiàn)實(shí)困境？

飛行單元結(jié)構(gòu)精密但本體脆弱，地面機(jī)器人架構(gòu)堅固、容錯冗余度高，但行動起來相對笨拙。因此，一套可自主分離、精準(zhǔn)合體的陸空兩棲機(jī)器人系統(tǒng)，將可以結(jié)合空中快速機(jī)動、全域偵察以及在復(fù)雜地形下的穩(wěn)定作業(yè)與物資轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，在科研、救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域排上大用場。

這個想法很浪漫、很實(shí)用，但真要實(shí)施起來，其實(shí)存在著諸多難點(diǎn)——現(xiàn)實(shí)里的空地機(jī)器人合體可不是玩積木時的靜態(tài)拼插組裝，而更像高速環(huán)境下的“極限運(yùn)動”。

為什么這種對接這么難呢？首先，由于無人機(jī)在空中會受到氣流擾動，地面機(jī)器人也可能存在微小移動。因此二者難以控制相對位置差。即使有視覺定位系統(tǒng)，也很難保證機(jī)器人在對接的一瞬間能實(shí)現(xiàn)“完美對齊”。

戰(zhàn)機(jī)的空中加油也是難度極高的對接（圖片來源：CCTV）

其次，空、地接觸不可避免地會伴隨沖擊，甚至是磕碰當(dāng)無人機(jī)下降并接觸地面機(jī)器人時，本質(zhì)上是兩個具有速度的物體發(fā)生接觸，這會產(chǎn)生瞬時沖擊力，可能損傷機(jī)體結(jié)構(gòu)

最后，合體后的機(jī)器人將更難操控。這是因?yàn)樵诤象w之前，無人機(jī)是獨(dú)立的飛行系統(tǒng)；而在對接之后，它就變成了“攜帶負(fù)載甚至是連接著另一個系統(tǒng)”的復(fù)合體。整個動力學(xué)模型瞬間改變。

這些因素疊加在一起，使得“合體”遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜。

拆解難題！科學(xué)家從最危險的 “接觸瞬間”入手

想要拆解并搞定這個復(fù)雜的工程難題，科研人員必須為研究找準(zhǔn)核心著力點(diǎn)。

機(jī)器人自主合體的關(guān)鍵瓶頸，從來不在機(jī)械拼接結(jié)構(gòu)本身，而在于飛行控制系統(tǒng)能否扛住對接瞬間的碰撞擾動。在工程領(lǐng)域，這類研究有個專業(yè)名詞——接觸動力學(xué)。

對接結(jié)構(gòu)的示意圖（圖片來源：Xueying Jin et al., 2025）

當(dāng)兩個機(jī)器人發(fā)生接觸時，會產(chǎn)生一個隨時間變化的力，這個力并不是恒定的，而是具有明顯的瞬態(tài)特征：在接觸初期迅速上升，在極短時間內(nèi)達(dá)到峰值，然后逐漸衰減。

整個過程其實(shí)也就幾十毫秒，但可千萬不要小看這不到1秒的“接觸瞬間”，處理中稍有不慎，就可能造成整個系統(tǒng)的大災(zāi)難。

傳統(tǒng)方法上，工程師會采用緩沖手段來讓接觸區(qū)域更具彈性，并在沖擊下，通過保持發(fā)生微小形變的能力，來吸收沖擊。

但在空、地機(jī)器人對接領(lǐng)域，科研團(tuán)隊要面對的情況顯然更加復(fù)雜。在實(shí)際對接的過程中，兩臺機(jī)器人的接觸點(diǎn)位多、對接造型不規(guī)則，加上設(shè)備全程處于動態(tài)運(yùn)行中，還會持續(xù)產(chǎn)生抖動……這些都在很大程度上增加了操控難度。

圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

機(jī)器人合體與分離的過程示意圖

而且，一旦空中單位與地面載具完成對接，整體系統(tǒng)的總質(zhì)量將增加、受力結(jié)構(gòu)會改變……如果控制系統(tǒng)調(diào)整不及時，就有可能造成飛行姿態(tài)劇烈波動、飛行軌跡偏離甚至失穩(wěn)墜落的風(fēng)險。

將“不可控碰撞”變?yōu)椤翱深A(yù)測接觸”

為應(yīng)對這些難題，科研團(tuán)隊采取了一種非常工程化的思路——既然無法避免接觸，那就積極面對！通過把接觸過程精確建模，科學(xué)家希望能實(shí)現(xiàn)對“合體瞬間”的提前預(yù)測和主動控制。

團(tuán)隊結(jié)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、運(yùn)動等參數(shù)，梳理出對接過程中的力學(xué)變化規(guī)律，并嘗試精準(zhǔn)測算對接瞬間的各種可能出現(xiàn)的具體狀況。在這個過程中，他們引入了諸多材料力學(xué)、幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)方面的屬性，如剛度、彈性、接觸半徑等，之后再利用計算機(jī)綜合模擬驗(yàn)證緩沖模型的合理性。

圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

空-地機(jī)器人對接卡扣時，不同時刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布變化

在將這套預(yù)判模型融入飛行控制系統(tǒng)后，科學(xué)家就可以制造現(xiàn)實(shí)中的原型機(jī)，來在真實(shí)環(huán)境中完成“對接—起飛—分離”的全過程了。 如此造出的機(jī)器人并非被動地去應(yīng)對突發(fā)狀況——它們將主動提前預(yù)判對接時機(jī)，適時調(diào)整飛行姿態(tài)與動力輸出，并在碰撞沖擊到來的第一時間完成動態(tài)調(diào)節(jié)，大幅降低對接帶來的晃動與偏差。

圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

機(jī)器人對接、合體、起飛、分離的全過程實(shí)拍照片

最終的試驗(yàn)結(jié)果是，這種合體機(jī)器人的運(yùn)作狀態(tài)十分優(yōu)秀！即使在空、地對接的瞬間造成明顯沖擊，系統(tǒng)仍然能夠在1秒內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，軌跡誤差始終保持在0.2米的范圍內(nèi)，整體運(yùn)行平穩(wěn)、安全、可控。這證明空地機(jī)器人間的“合體”不再只是理論推演，而是具備了工程實(shí)現(xiàn)的可行性。

從科幻作品中的“瞬間合體”，到現(xiàn)實(shí)中，通過對接觸力、控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)行精確計算后實(shí)現(xiàn)的空、地結(jié)合，這項(xiàng)研究所解決的，其實(shí)是一個長期被忽視卻極其關(guān)鍵的問題。

過去，人們習(xí)慣把機(jī)器人看作是一個個獨(dú)立的個體，也就是無人機(jī)就是無人機(jī)，地面機(jī)器人就是地面機(jī)器人。但未來的趨勢，很可能是另一種形態(tài)——機(jī)器人將有可能是模塊化的，可以根據(jù)任務(wù)需求自由組合。

例如，在災(zāi)害救援的場景中，無人機(jī)可攜帶地面機(jī)器人，廣域偵察，尋找重點(diǎn)搜救區(qū)域并快速部署，二者分離后，地面機(jī)器人可以獨(dú)立完成搜救，之后通過再次合體，無人機(jī)還可以將關(guān)鍵設(shè)備，甚至是傷員快速帶離危險災(zāi)區(qū)。

圖片來源：《星際穿越》

空地對接相關(guān)的研究可能對未來的太空探索起到積極意義

當(dāng)“合體”從幻想走向工程實(shí)現(xiàn)，我們將迎來的或許會是一個可動態(tài)重構(gòu)的智能機(jī)器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。不同優(yōu)勢的機(jī)器人將彼此協(xié)作和互補(bǔ)短板，最終在科研、救援、運(yùn)輸?shù)确矫娓咝?、安全地為人類做出貢獻(xiàn)。

“空地”合體的這關(guān)鍵一步，或許正標(biāo)志著機(jī)器人技術(shù)，終于開始從可用，走向復(fù)雜和全能。

1.http://www.cjme.com.cn/article/doi/10.1186/s10033-025-01178-x?pageType=en
2.https://wrj.buaa.edu.cn/info/1043/2828.htm

作者：宋世超

審核：劉穎 李培元

審核專家：丁希侖 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所 教授、博士生導(dǎo)師