在城市救援的现场，微小型无人机如同勇敢的先锋，穿越浓烟为消防员指引方向，与时间赛跑挽救生命；在广袤的农田上空，它们又化身精准的“空中医生”，通过喷洒农药大幅提高农业生产效率。这些无人机不仅擅长单独作业，还能以群舞的姿态协同工作，但有一个看似简单的动作却始终难以实现——两架无人机像“叠罗汉”一样上下交叠飞行。
当两架无人机交叠时，强烈的“气流干扰”会瞬间产生，导致无人机失控甚至“翻车”，更别提在这样的状态下完成精准作业。这个困扰行业已久的技术难题，如今被西湖大学工学院赵世钰实验室成功攻克。他们研发的FlyingToolbox（飞行工具箱）空中协同操作系统，首次实现了多架旋翼无人机的空中工具交换，让“叠式”飞行状态下的高精度协同作业成为可能。
这项突破性成果于国际顶级学术期刊《自然》上发表，标志着中国在多旋翼无人机领域的研究首次登上这一世界舞台。研究团队将无人机从“单兵作战”推向“群体协作”的新阶段，为空中作业机器人在更复杂、更高远的应用场景中完成任务奠定了基础。
空中作业机器人是一种将多旋翼无人机与高自由度机械臂相结合的新型设备。与传统无人机作为“飞行摄像机”用于航拍和监测不同，这类机器人是真正的“飞行操作手”，能够在人类难以抵达的区域完成危险物品抓取、高空建筑清洁、接触式检修等复杂任务。然而，单个空中机器人的载荷能力有限，难以独立完成复杂作业。研究团队由此提出一个创新设想：能否让空中机器人像外科手术团队一样分工协作？主刀医生专注操作，护士递送工具，每个机器人通过工具交换实现功能扩展，从而完成更复杂的任务。
实现这一设想的关键在于“叠飞”技术。当一架无人机飞至另一架正上方时，其螺旋桨产生的“下洗气流”会形成相当于6级强风的干扰（气流速度达13.18米/秒），严重威胁飞行稳定性。尽管现有研究中“叠飞”现象偶有出现，但通常飞行时间短暂且未涉及精确操作。如何同时实现近距离飞行与高精度操作，成为研究团队必须跨越的技术鸿沟。
为此，团队开发了FlyingToolbox系统，由一架工具箱无人机和一架操作无人机组成。工具箱无人机如同“空中工具车”，可携带爪子、剪刀等多种末端执行工具；操作无人机则配备可伸展机械臂，负责精准抓取和操作。研究目标是让操作无人机飞至工具箱无人机上方，像医生一样灵活拾取工具并完成任务，全程无需人工干预。
这一过程中最大的挑战在于：机械臂底部与工具顶部之间的水平位移必须控制在1.5厘米以内，否则对接将失败。为破解这一难题，团队设计了三项核心技术：
首先是柔性电磁对接机构。操作无人机的机械臂末端装有带铁片的空腔装置，工具箱无人机顶部则配置了四个环形柔顺圆锥电磁对接装置。当收到对接信号时，电磁芯片通电产生磁力，与机械臂末端的锥形凹槽吸附。由于对接装置通过弹性系绳连接，具有柔顺性，即使两机姿态略有偏移，也能确保成功对接。
其次是气流扰动估计与补偿方法。研究团队在下方无人机中植入了下洗气流速度场模型，该模型融合空气动力学原理与实时传感数据，可预测操作无人机下方任意位置的气流速度。结合两机相对距离，利用神经网络估算上方无人机气流对下方无人机的影响，并实时调整飞行参数。
最后是高精度对接与操作控制技术。操作无人机搭载相机，工具箱无人机顶部贴有多个二维码。当操作无人机识别到足够数量的二维码时，即可判断两机相对距离并调整位置。下方无人机则根据气流情况实时调整六个旋翼的转速，确保精准的位置控制和姿态控制。
实验结果显示，FlyingToolbox系统表现卓越：在连续20次对接实验中，平均误差仅为0.80厘米（标准差0.33厘米），精度较无机械臂补偿的系统提升了近一个数量级。系统还成功完成了“双机协作”剪彩、抓取、放置任务，以及“三机协作”复杂操作。更令人惊叹的是，系统甚至实现了“运动中对接”——当工具箱无人机移动时，操作无人机仍能顺利抓取工具，大幅拓展了应用场景。
作为低空经济与具身智能领域的交汇点，空中作业机器人具有广阔的产业化前景。FlyingToolbox系统通过模块化、可扩展的设计，为无人机根据实际需求完成更复杂任务提供了可能。研究团队计划进一步提升系统性能，并推动其向产业化迈进，希望在复杂开放环境中解决实际问题。
