我国科学家发力：无人机和地面机器人玩起了合体

图片来源：Xueying Jin et al., 2025

空地合体机器人CSAGR的原型机

在《变形金刚》《钢铁侠》等科幻作品里，我们总能见到空、地合体的炫酷装备：凌空奔赴而来的飞行模组，会精准拼接到地面机器人主体上，赋予它飞行能力；智能战甲也能自己飞来并贴合到超级英雄的身体上。

在这些设定里，“合体”都非常简单和安全：对接对准后，卡扣一锁定，组装立刻完成。然而，如果放到工程现实中，这种动态下的空地设备间的对接，将远比影视作品演绎得复杂和危险。尽管目前无人机和地面机器人相关的技术已非常成熟，但空、地机器人合体的成熟产品却几乎没有。

不过令人兴奋的是，就在最近，一支由北京航空航天大学丁希仑教授带领的科研团队针对空地可组合、分离的机器人展开技术攻坚，围绕对接过程的接触动力学、动态轨迹跟踪等多个核心难题方面取得关键进展，让科幻感十足的空地机器人合体构想，一步步落地成了工程现实。

（图片来源：《钢铁侠3》

空、地单元的精准对接和组合在科幻影视中很常见

实用却难以实现：机器人“合体”有何现实困境？

飞行单元结构精密但本体脆弱，地面机器人架构坚固、容错冗余度高，但行动起来相对笨拙。因此，一套可自主分离、精准合体的陆空两栖机器人系统，将可以结合空中快速机动、全域侦察以及在复杂地形下的稳定作业与物资转运的能力，在科研、救灾、军事等领域排上大用场。

这个想法很浪漫、很实用，但真要实施起来，其实存在着诸多难点——现实里的空地机器人合体可不是玩积木时的静态拼插组装，而更像高速环境下的“极限运动”。

为什么这种对接这么难呢？首先，由于无人机在空中会受到气流扰动，地面机器人也可能存在微小移动。因此二者难以控制相对位置差。即使有视觉定位系统，也很难保证机器人在对接的一瞬间能实现“完美对齐”。

战机的空中加油也是难度极高的对接（图片来源：CCTV）

其次，空、地接触不可避免地会伴随冲击，甚至是磕碰当无人机下降并接触地面机器人时，本质上是两个具有速度的物体发生接触，这会产生瞬时冲击力，可能损伤机体结构

最后，合体后的机器人将更难操控。这是因为在合体之前，无人机是独立的飞行系统；而在对接之后，它就变成了“携带负载甚至是连接着另一个系统”的复合体。整个动力学模型瞬间改变。

这些因素叠加在一起，使得“合体”远比想象中复杂。

拆解难题！科学家从最危险的 “接触瞬间”入手

想要拆解并搞定这个复杂的工程难题，科研人员必须为研究找准核心着力点。

机器人自主合体的关键瓶颈，从来不在机械拼接结构本身，而在于飞行控制系统能否扛住对接瞬间的碰撞扰动。在工程领域，这类研究有个专业名词——接触动力学。

对接结构的示意图（图片来源：Xueying Jin et al., 2025）

当两个机器人发生接触时，会产生一个随时间变化的力，这个力并不是恒定的，而是具有明显的瞬态特征：在接触初期迅速上升，在极短时间内达到峰值，然后逐渐衰减。

整个过程其实也就几十毫秒，但可千万不要小看这不到1秒的“接触瞬间”，处理中稍有不慎，就可能造成整个系统的大灾难。

传统方法上，工程师会采用缓冲手段来让接触区域更具弹性，并在冲击下，通过保持发生微小形变的能力，来吸收冲击。

但在空、地机器人对接领域，科研团队要面对的情况显然更加复杂。在实际对接的过程中，两台机器人的接触点位多、对接造型不规则，加上设备全程处于动态运行中，还会持续产生抖动……这些都在很大程度上增加了操控难度。

图片来源：Xueying Jin et al., 2025

机器人合体与分离的过程示意图

而且，一旦空中单位与地面载具完成对接，整体系统的总质量将增加、受力结构会改变……如果控制系统调整不及时，就有可能造成飞行姿态剧烈波动、飞行轨迹偏离甚至失稳坠落的风险。

将“不可控碰撞”变为“可预测接触”

为应对这些难题，科研团队采取了一种非常工程化的思路——既然无法避免接触，那就积极面对！通过把接触过程精确建模，科学家希望能实现对“合体瞬间”的提前预测和主动控制。

团队结合机器人结构、姿态、运动等参数，梳理出对接过程中的力学变化规律，并尝试精准测算对接瞬间的各种可能出现的具体状况。在这个过程中，他们引入了诸多材料力学、几何学、运动学方面的属性，如刚度、弹性、接触半径等，之后再利用计算机综合模拟验证缓冲模型的合理性。

图片来源：Xueying Jin et al., 2025

空-地机器人对接卡扣时，不同时刻的结构应力分布变化

在将这套预判模型融入飞行控制系统后，科学家就可以制造现实中的原型机，来在真实环境中完成“对接—起飞—分离”的全过程了。 如此造出的机器人并非被动地去应对突发状况——它们将主动提前预判对接时机，适时调整飞行姿态与动力输出，并在碰撞冲击到来的第一时间完成动态调节，大幅降低对接带来的晃动与偏差。

图片来源：Xueying Jin et al., 2025

机器人对接、合体、起飞、分离的全过程实拍照片

最终的试验结果是，这种合体机器人的运作状态十分优秀！即使在空、地对接的瞬间造成明显冲击，系统仍然能够在1秒内恢复稳定，轨迹误差始终保持在0.2米的范围内，整体运行平稳、安全、可控。这证明空地机器人间的“合体”不再只是理论推演，而是具备了工程实现的可行性。

从科幻作品中的“瞬间合体”，到现实中，通过对接触力、控制系统和结构强度实行精确计算后实现的空、地结合，这项研究所解决的，其实是一个长期被忽视却极其关键的问题。

过去，人们习惯把机器人看作是一个个独立的个体，也就是无人机就是无人机，地面机器人就是地面机器人。但未来的趋势，很可能是另一种形态——机器人将有可能是模块化的，可以根据任务需求自由组合。

例如，在灾害救援的场景中，无人机可携带地面机器人，广域侦察，寻找重点搜救区域并快速部署，二者分离后，地面机器人可以独立完成搜救，之后通过再次合体，无人机还可以将关键设备，甚至是伤员快速带离危险灾区。

图片来源：《星际穿越》

空地对接相关的研究可能对未来的太空探索起到积极意义

当“合体”从幻想走向工程实现，我们将迎来的或许会是一个可动态重构的智能机器人系统网络。不同优势的机器人将彼此协作和互补短板，最终在科研、救援、运输等方面更高效、安全地为人类做出贡献。

“空地”合体的这关键一步，或许正标志着机器人技术，终于开始从可用，走向复杂和全能。

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

审核：刘颖 李培元

审核专家：丁希仑 北京航空航天大学机器人研究所 教授、博士生导师