圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

空地合體機器人CSAGR的原型機

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，會精準拼接到地面機器人主體上，賦予它飛行能力；智能戰甲也能自己飛來并貼合到超級英雄的身體上。

在這些設定里，“合體”都非常簡單和安全：對接對準后，卡扣一鎖定，組裝立刻完成。然而，如果放到工程現實中，這種動態下的空地設備間的對接，將遠比影視作品演繹得復雜和危險。盡管目前無人機和地面機器人相關的技術已非常成熟，但空、地機器人合體的成熟產品卻幾乎沒有。

不過令人興奮的是，就在最近，一支由北京航空航天大學丁希侖教授帶領的科研團隊針對空地可組合、分離的機器人展開技術攻堅，圍繞對接過程的接觸動力學、動態軌跡跟蹤等多個核心難題方面取得關鍵進展，讓科幻感十足的空地機器人合體構想，一步步落地成了工程現實。

（圖片來源：《鋼鐵俠3》

空、地單元的精準對接和組合在科幻影視中很常見

實用卻難以實現：機器人“合體”有何現實困境？

飛行單元結構精密但本體脆弱，地面機器人架構堅固、容錯冗余度高，但行動起來相對笨拙。因此，一套可自主分離、精準合體的陸空兩棲機器人系統，將可以結合空中快速機動、全域偵察以及在復雜地形下的穩定作業與物資轉運的能力，在科研、救災、軍事等領域排上大用場。

這個想法很浪漫、很實用，但真要實施起來，其實存在著諸多難點——現實里的空地機器人合體可不是玩積木時的靜態拼插組裝，而更像高速環境下的“極限運動”。

為什么這種對接這么難呢？首先，由于無人機在空中會受到氣流擾動，地面機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，也很難保證機器人在對接的一瞬間能實現“完美對齊”。

戰機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，甚至是磕碰當無人機下降并接觸地面機器人時，本質上是兩個具有速度的物體發生接觸，這會產生瞬時沖擊力，可能損傷機體結構

最后，合體后的機器人將更難操控。這是因為在合體之前，無人機是獨立的飛行系統；而在對接之后，它就變成了“攜帶負載甚至是連接著另一個系統”的復合體。整個動力學模型瞬間改變。

這些因素疊加在一起，使得“合體”遠比想象中復雜。

拆解難題！科學家從最危險的 “接觸瞬間”入手

想要拆解并搞定這個復雜的工程難題，科研人員必須為研究找準核心著力點。

機器人自主合體的關鍵瓶頸，從來不在機械拼接結構本身，而在于飛行控制系統能否扛住對接瞬間的碰撞擾動。在工程領域，這類研究有個專業名詞——接觸動力學。

對接結構的示意圖（圖片來源：Xueying Jin et al., 2025）

當兩個機器人發生接觸時，會產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特征：在接觸初期迅速上升，在極短時間內達到峰值，然后逐漸衰減。

整個過程其實也就幾十毫秒，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的大災難。

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

但在空、地機器人對接領域，科研團隊要面對的情況顯然更加復雜。在實際對接的過程中，兩臺機器人的接觸點位多、對接造型不規則，加上設備全程處于動態運行中，還會持續產生抖動……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，整體系統的總質量將增加、受力結構會改變……如果控制系統調整不及時，就有可能造成飛行姿態劇烈波動、飛行軌跡偏離甚至失穩墜落的風險。

將“不可控碰撞”變為“可預測接觸”

為應對這些難題，科研團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，科學家希望能實現對“合體瞬間”的提前預測和主動控制。

團隊結合機器人結構、姿態、運動等參數，梳理出對接過程中的力學變化規律，并嘗試精準測算對接瞬間的各種可能出現的具體狀況。在這個過程中，他們引入了諸多材料力學、幾何學、運動學方面的屬性，如剛度、彈性、接觸半徑等，之后再利用計算機綜合模擬驗證緩沖模型的合理性。

圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

空-地機器人對接卡扣時，不同時刻的結構應力分布變化

在將這套預判模型融入飛行控制系統后，科學家就可以制造現實中的原型機，來在真實環境中完成“對接—起飛—分離”的全過程了。 如此造出的機器人并非被動地去應對突發狀況——它們將主動提前預判對接時機，適時調整飛行姿態與動力輸出，并在碰撞沖擊到來的第一時間完成動態調節，大幅降低對接帶來的晃動與偏差。

圖片來源：Xueying Jin et al., 2025

機器人對接、合體、起飛、分離的全過程實拍照片

最終的試驗結果是，這種合體機器人的運作狀態十分優秀！即使在空、地對接的瞬間造成明顯沖擊，系統仍然能夠在1秒內恢復穩定，軌跡誤差始終保持在0.2米的范圍內，整體運行平穩、安全、可控。這證明空地機器人間的“合體”不再只是理論推演，而是具備了工程實現的可行性。

從科幻作品中的“瞬間合體”，到現實中，通過對接觸力、控制系統和結構強度實行精確計算后實現的空、地結合，這項研究所解決的，其實是一個長期被忽視卻極其關鍵的問題。

過去，人們習慣把機器人看作是一個個獨立的個體，也就是無人機就是無人機，地面機器人就是地面機器人。但未來的趨勢，很可能是另一種形態——機器人將有可能是模塊化的，可以根據任務需求自由組合。

例如，在災害救援的場景中，無人機可攜帶地面機器人，廣域偵察，尋找重點搜救區域并快速部署，二者分離后，地面機器人可以獨立完成搜救，之后通過再次合體，無人機還可以將關鍵設備，甚至是傷員快速帶離危險災區。

圖片來源：《星際穿越》

空地對接相關的研究可能對未來的太空探索起到積極意義

當“合體”從幻想走向工程實現，我們將迎來的或許會是一個可動態重構的智能機器人系統網絡。不同優勢的機器人將彼此協作和互補短板，最終在科研、救援、運輸等方面更高效、安全地為人類做出貢獻。

“空地”合體的這關鍵一步，或許正標志著機器人技術，終于開始從可用，走向復雜和全能。

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 北京航空航天大學機器人研究所 教授、博士生導師