動(dòng)機(jī)和靈感

鳥(niǎo)類憑借翅膀翱翔天際，又用利爪精準(zhǔn)捕獵、棲息枝頭，這種飛行與交互的完美融合令人類神往。然而現(xiàn)有飛行機(jī)器人卻陷入兩難：加裝機(jī)械臂雖能抓取，卻因體積龐大、重量超標(biāo)而喪失靈活性；簡(jiǎn)化末端執(zhí)行器雖輕巧，卻難以應(yīng)對(duì)多變物體，更易因控制耦合導(dǎo)致飛行失穩(wěn)。如何讓飛行器既輕盈敏捷，又能像人手般靈巧操作，成為橫亙?cè)诳罩袡C(jī)器人領(lǐng)域的一道難題。

受人類手掌啟發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)了全球首款手形飛行操作機(jī)器人HI-ARM（Hand-like compact Aerial Robot for Manipulation）。它摒棄傳統(tǒng)飛行平臺(tái)+外掛機(jī)械臂的笨重架構(gòu)，將抓取功能深度融入飛行本體：采用C形開(kāi)放式抓取輪廓模擬手掌包裹感，5自由度手指結(jié)構(gòu)融合伸縮與扭轉(zhuǎn)機(jī)制，配合單電機(jī)肌腱驅(qū)動(dòng)，僅用556克重量（相當(dāng)于一瓶礦泉水）實(shí)現(xiàn)了從手掌緊握水瓶到指尖輕拈紙巾的多模態(tài)抓取。更關(guān)鍵的是，我們構(gòu)建了毫秒級(jí)飛行軌跡規(guī)劃與微秒級(jí)形變控制的解耦框架，使機(jī)器人能在飛行中實(shí)時(shí)變形抓取，如同人類抬手即握的本能反應(yīng)——無(wú)需復(fù)雜計(jì)算，卻能應(yīng)對(duì)混沌環(huán)境中的突發(fā)交互。

當(dāng)傳統(tǒng)飛行機(jī)器人仍在能否抓穩(wěn)與能否飛穩(wěn)間艱難平衡時(shí)，HI-ARM已實(shí)現(xiàn)飛行與操作的有機(jī)統(tǒng)一。這種仿生集成設(shè)計(jì)不僅突破了尺寸與功能的權(quán)衡困境，更讓空中機(jī)器人從會(huì)飛的眼睛進(jìn)化為會(huì)飛的手，為災(zāi)難救援、家庭服務(wù)、野外作業(yè)等場(chǎng)景開(kāi)辟了全新可能。

這項(xiàng)成果于2026年1月30日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。論文第一作者為浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生吳鈺澤，通訊作者為控制學(xué)院長(zhǎng)聘副教授高飛。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

手形抓取的多模態(tài)適應(yīng)性

HI-ARM展現(xiàn)出媲美人手的抓取靈巧性：面對(duì)62毫米直徑的水瓶，它用掌心穩(wěn)穩(wěn)包裹實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力抓握；面對(duì)不足1毫米厚的紙巾，它切換至指尖精準(zhǔn)捏取。得益于欠驅(qū)動(dòng)肌腱結(jié)構(gòu)，機(jī)器人無(wú)需預(yù)知物體形狀即可自適應(yīng)貼合表面——無(wú)論是規(guī)則水瓶、不規(guī)則字母積木，還是柔軟織物，都能在接觸瞬間協(xié)同調(diào)整5個(gè)自由度完成穩(wěn)定抓取。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)在抓取過(guò)程中實(shí)時(shí)估計(jì)外部干擾力并動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，位置跟蹤誤差始終控制在3厘米以內(nèi)，為精細(xì)操作奠定基礎(chǔ)。

復(fù)雜場(chǎng)景下的連續(xù)任務(wù)能力

我們?cè)谀M家居環(huán)境中設(shè)計(jì)了連續(xù)人機(jī)協(xié)作任務(wù)鏈：HI-ARM依次完成取快遞、遞水、收空瓶、掛衣架等動(dòng)作，全程無(wú)需人工干預(yù)。面對(duì)不同物體，機(jī)器人自主切換抓取模式——抓取75克快遞盒時(shí)采用指尖輕捏，抓取134克水瓶時(shí)切換為掌心包裹。更突破性的是，它成功演示了樹(shù)干棲息（電機(jī)停轉(zhuǎn)節(jié)能99%）、推門通行等高階操作。在棲息任務(wù)中，機(jī)器人抓握樹(shù)干后完全關(guān)閉旋翼，僅靠伺服電機(jī)維持抓力，為長(zhǎng)時(shí)駐留任務(wù)提供可能。

野外環(huán)境的極限驗(yàn)證

為檢驗(yàn)實(shí)用潛力，我們?cè)谡鎸?shí)野外開(kāi)展系列測(cè)試：HI-ARM收縮形變穿越僅22厘米寬的巖縫，證明其卓越通過(guò)性；跨河運(yùn)輸水杯時(shí)，它在湍流干擾下仍保持軌跡平滑，成功將物品送達(dá)對(duì)岸。針對(duì)行動(dòng)不便人群，我們驗(yàn)證了遠(yuǎn)程協(xié)助能力：用戶佩戴FPV眼鏡操控HI-ARM，跨越40余米復(fù)雜地形取回咖啡杯，控制延遲僅256毫秒。這種空中第三只手的構(gòu)想，正從科幻走向現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)飛行機(jī)器人突破觀測(cè)者的角色局限，真正成為可主動(dòng)交互的智能體，人機(jī)協(xié)作的邊界將被重新定義。HI-ARM以仿生集成與高效自主為核心，不僅解決了飛行操作機(jī)器人的輕量化與多功能矛盾，更鋪就了一條通往飛行具身智能的新路徑——未來(lái)，這些”會(huì)飛的手”將有潛力穿梭于家庭、工廠與荒野。

結(jié)果討論和未來(lái)工作

我們提出的仿生集成設(shè)計(jì)通過(guò)融合手形結(jié)構(gòu)與高效自主控制框架，成功實(shí)現(xiàn)了飛行機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的靈巧交互與穩(wěn)定操作，為空中機(jī)器人開(kāi)辟了從被動(dòng)觀測(cè)到主動(dòng)操作的新范式。這項(xiàng)研究的意義在于，它突破了傳統(tǒng)飛行操作平臺(tái)在尺寸、重量與功能間的根本矛盾——556克的輕量化設(shè)計(jì)使機(jī)器人能深入家庭、工廠等空間受限場(chǎng)景，而多模態(tài)自適應(yīng)抓取能力則顯著提升了其在未知環(huán)境中的任務(wù)泛化性。可預(yù)測(cè)的飛行軌跡與平滑的形變控制使機(jī)器人行為更加透明可靠，這對(duì)人機(jī)共存環(huán)境至關(guān)重要：人們能夠直觀理解機(jī)器人的操作意圖，從而建立信任感；同時(shí)，低延遲的干擾估計(jì)與補(bǔ)償機(jī)制也為系統(tǒng)安全監(jiān)控提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使機(jī)器人能無(wú)縫融入日常服務(wù)、工業(yè)巡檢乃至災(zāi)難救援等多元場(chǎng)景。

當(dāng)前系統(tǒng)仍面臨視覺(jué)定位在長(zhǎng)距離戶外任務(wù)中的累積漂移挑戰(zhàn)，以及對(duì)極端脆弱物體（如生雞蛋）的精細(xì)力控局限。未來(lái)，我們計(jì)劃引入多模態(tài)基礎(chǔ)模型增強(qiáng)機(jī)器人的環(huán)境認(rèn)知能力，使其能自主識(shí)別閥門、開(kāi)關(guān)等工業(yè)元件并執(zhí)行精準(zhǔn)操作；同時(shí)開(kāi)發(fā)新型內(nèi)襯抓取表面以提升對(duì)光滑物體的摩擦力，并集成力反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)易碎物品的溫柔抓取。更長(zhǎng)遠(yuǎn)地，我們將探索多機(jī)協(xié)同作業(yè)——基于團(tuán)隊(duì)前期在空中集群方面的積累，構(gòu)建HI-ARM機(jī)器人編隊(duì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同搬運(yùn)、分布式感知等復(fù)雜任務(wù)。隨著端到端視覺(jué)強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，我們期待這些改進(jìn)能逐步縮小仿真與現(xiàn)實(shí)的差距，最終讓飛行機(jī)器人真正成為人類生活中可靠、智能的空中之手。