“ 解决飞行机器人一碰就失稳的老难题。 

四旋翼飞行机器人能飞、能拍，却长期不敢和环境硬碰硬。

航拍、巡检、物资投送，都是它已经跑通的基础任务。这些场景里，它只需要悬停、移动、拍照，全程和外界保持距离。真正的难点，是主动和环境发生物理交互，如追上移动目标、挂在墙面停歇、击碎冰层、探入水中抓取物件。

这些任务看着差别很大，但卡壳的根源一模一样。四旋翼是靠不断微调维持平衡的欠驱动系统，发力那一下，反作用力就会顺着机械臂狠狠掀偏机身。

也就是说，对于飞行机器人来说，发力和稳悬停，天生就是一对矛盾。这也是空中交互领域绕不开的死结。

同济大学上海自主智能无人系统科学中心何斌、蒋永康团队换了一套解题思路。他们不让飞控硬扛突如其来的冲击，把整个动作拆成两段独立任务。由非对称双稳态脉冲模块负责 “快速出击”，串联柔性臂负责“消化冲击”，在扰动传到机身之前先做衰减。相关成果于近日登上机器人权威期刊《Science Advances》。

这项研究的仿生，模仿的是猛禽捕猎策略——本体稳住不动，四肢瞬间前伸锁猎物。平台本身仍是四旋翼飞行机器人。

仿生飞行机器人配备脉冲肢体，可实现动态空中交互的形态缓冲。

01.

储能弹射+柔性卸力，化解空中交互两难

现有空中操作臂很难兼顾爆发力与稳定性。刚性臂定位精度好，但高速接触的冲击会直接传递到机身，极易打破悬停姿态；柔性臂自带减震特性，响应速度却跟不上动态抓取、破冰这类任务的要求。不少快展机构虽然伸展迅速，但依赖气动、磁力等外置驱动，重量体积很难适配轻量化机载平台。

飞控追求稳定，交互动作需要瞬时爆发，两套诉求很难在同一套机构里共存。团队的方案是功能解耦，让不同结构各司其职。脉冲模块专职储能、完成弹射出击，串联柔性臂负责耗散冲击，飞控不再硬扛突发扰动，只专注定位、对准与触发判断。

脉冲模块的核心是一片厚度0.7–0.9 mm的聚酰亚胺柔性梁，平时停在亚稳态积蓄弹性势能。电机缓慢推动滑块持续储能，一旦跨过临界拐点，结构瞬间跳变释放能量，带动整条臂快速弹出。

非对称双稳态是这项设计的关键.传统对称双稳态结构储能越高，所需触发推力越大，机载小电机难以驱动；非对称构型将储能上限和触发门槛解耦，再配合几何预加载，让结构初始状态贴近临界点，降低触发阻力。

取舍同样清晰。梁厚从0.7 mm增加至0.9 mm时，峰值触发力从 20 N上升至 45 N以上，释放能量提升约2.5倍，工程设计需要在储能需求和电机负载之间找到平衡点。

柔性臂由刚性环形支架与厚度 0.15–0.25 mm的双稳态 PET 薄片串联而成。刚性支架传递弹射动能，实现多米诺式逐级展开；PET 薄片在接触目标时发生形变、耗散冲击，论文将其定义为“机械冲击滤波器”。

末端夹爪省去独立驱动指令，依靠接触力直接锁合。臂体复位依靠 SMA 形状记忆合金弹簧，而非电机，可在7.4 V电压、0.5 s脉冲加热下完成收缩回位。

脉冲模块的机械结构和几何设计。

02.

70毫秒出击，实现76.46%冲击衰减

测试构型下，臂从71 mm收拢状态展开至 166 mm，伸展比约2.3倍，全程仅70 ms，末端峰值速度 2.1 m/s；复位则需要 440 ms，出击远快于收回。

脉冲驱动周期的运动学特征。(A）弹道展开阶段。在脉冲模块的触发下，测试的柔性臂在 70 毫秒内完全伸展，峰值速度为 2.1 米/秒。（B）形状记忆合金（SMA）驱动的热恢复阶段。嵌入式SMA致动器在440毫秒内将柔性臂缩回至紧凑状态。

冲击数据是这项工作的核心亮点。同等接触条件下，3节柔性臂对比刚性臂：峰值反作用力 从13.92 N降到9.22 N，降33.76%；前100 ms冲量 从411.20降到96.80 mN・s，降76.46%；机身峰值位移降74.57%。

76.46%对应的是前 100毫秒内的冲量积分，也就是冲击总量，而非瞬时峰值冲击力。刚性臂会将全部冲击直接传递至机身，柔性臂则提前耗散大部分扰动，冲击总负荷削减近四分之三。

还有一组实验进一步体现形态智能价值。7节柔性臂在固定平台测试中，被动适配区间达到 277 mm，占全长395 mm的70%。弹射触发后，控制系统不再实时计算臂长，臂体持续向前伸展直至接触目标，依靠结构实现距离自适配。

具有被动臂适应性的自主目标拦截。

03.

四类实飞跑通：抓得住、停得省、破得开、捞得起

研究团队做了四类实飞场景，跨度不小。

动态抓取采用3节臂，在16.8 cm、19.2 cm、24.0 cm三组垂直距离下，全部完成有效接触。机载YOLOv5n识别目标，深度相机输出位姿；水平误差小于1 cm时启动弹射，剩余垂直误差交由臂的被动容差消化，测试目标为蛇形移动模型。

定点停歇采用向上展开构型，依靠几何公差适配高度，无需高精度位置闭环锁定；固定完成后驱动电机可以停机省电，适合长时间定点监测。

破冰场景是脉冲模块的主场，依靠瞬时弹道冲击击碎冰层，柔性臂同步吸收碰撞瞬态载荷，减少传到机身的载荷。

跨介质抓取分为两种工况。空对水抓取，臂体探入液面，机身悬停于水面之上；凝胶介质抓取，接触时长控制在0.2 s以内，依 SMA快速回缩，降低粘性介质的吸附拖拽风险。

脉冲驱动和形态缓冲实现多功能空中物理交互。（A）利用脉冲模块破冰。瞬间冲击力可击碎冰层，而柔性臂则起到机械冲击过滤器的作用，降低传递至飞行平台的碰撞载荷。（B）跨介质回收（空对水抓取）。利用较大的展开延伸比，无人机可在更远的距离回收目标。更大的分离距离使无人机远离水体相互作用区域，从而支持跨介质回收。（C）快速粘性介质采样（空对凝胶抓取）。接触时间小于0.2秒的快速下潜-回缩循环支持从高阻尼介质中回收目标。

论文也坦诚局限，实验中依旧能观测到旋翼下洗气流带来的干扰，当前方案只能依靠拉大距离削弱影响，无法彻底消除。

04.

把一部分控制交给结构

传统高速空中交互，需要持续闭环调控高度，保证末端精准触碰目标。这套设计换了思路：弹射触发之后，放弃臂长实时调控，由接触事件定义最终工作长度。

对飞控而言，少了一个需要高频调节的控制变量；对机械本体而言，自带一层被动容错能力。论文的总结很精炼，形态缓冲，把空中物理交互的瓶颈 “从算法控制转移到具身机械设计”。

模块化是这套设计的另一面。模块化架构支持增减臂节调整工作范围，但节段数量是一把双刃剑：更长行程会同步抬高弹射能量需求、结构自重与扰动力矩。薄片厚度从 0.15 mm加厚至0.25 mm，能量势垒从10 mJ上涨至 65 mJ，结构刚度提升，触发门槛也随之升高，各项参数需要综合权衡。

这套脉冲臂没有把四旋翼改造成飞鸟。它借鉴猛禽捕猎的分工逻辑，本体稳住不动，肢体瞬间出击，碰撞扰动由肢体自身消化。快与稳这一老生常谈的矛盾，不一定永远依靠迭代更复杂的控制算法硬解。有时一根可以储能、能够形变的柔性杆，就能分担控制系统的压力。

放在整个移动机器人行业来看，这也是一个值得留意的信号。行业长期习惯用更强算力、更密闭环去对抗环境扰动，而形态智能提供了另一条路线——把一部分感知、容错、动力学调节能力下沉到机构本身。

对空中作业、移动抓取这类算力、载荷、续航都高度受限的平台来说，结构先一步“懂容错”，往往比无限堆控制器性能更务实。

来源：机器人大讲堂