這個(gè)背著噴氣背包的娃娃臉機(jī)器人，是世界首個(gè)由噴氣背包驅(qū)動(dòng)的飛行機(jī)器。當(dāng)它被吊帶吊起之后隨即啟動(dòng)推進(jìn)器，并從地面升空大約 50 厘米。

該機(jī)器人的名字叫做 iRonCub-Mk3 機(jī)器人，由意大利技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)打造而來。其身高大約 1 米，體重大約 22 千克，身體尺寸設(shè)計(jì)得像孩童一般，并長著一張極具辨識(shí)度的光滑閃亮的娃娃臉。

它在起飛時(shí)使用四個(gè)推進(jìn)器，其中兩個(gè)安裝在手臂位置，另外兩個(gè)安裝在噴氣背包里。

此次飛行意味著該人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了首次垂直起飛，向制造能夠模仿人類能力的飛行機(jī)器人邁出了重要一步。

圖 | 相關(guān)論文（來源：arXiv）

相關(guān)論文的第一作者是意大利技術(shù)研究院博士生達(dá)維德·戈?duì)柊湍幔―avide Gorbani）。

圖 | 達(dá)維德·戈?duì)柊湍幔▉碓矗篽ttps://www.iit.it/people-detai）

實(shí)現(xiàn)具有預(yù)定軌跡和能被精確跟蹤的飛行

據(jù)了解，本次機(jī)器人基于意大利技術(shù)研究院的 iCub3 平臺(tái)。在使用時(shí)，該平臺(tái)由佩戴 VR 頭盔式平視顯示器的操作員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而能夠讓機(jī)器人模擬多種人類能力。

為了讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛行，研究團(tuán)隊(duì)為它安裝了承重支架來固定噴氣背包，并增加了一個(gè)新的鈦合金脊柱來支撐背包。

相比上一代，這款機(jī)器人的前臂和手特意被移除，以便為安裝在手臂上的推進(jìn)器騰出空間。但是，研究團(tuán)隊(duì)表示，如果需要仍然可以在后續(xù)版本中將手臂重新安回去。

（來源：arXiv）

為了確保機(jī)器人底盤能夠承受起飛和飛行時(shí)的壓力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）分析，以便將機(jī)器人結(jié)構(gòu)分解為相互連接的更小組件，這讓他們得以針對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的支架施加 750 牛頓的軸向載荷。

同時(shí)，為了讓本次機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛行，必須考慮所有關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，并將它們和推進(jìn)器進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保機(jī)器人不會(huì)偏離航向或上下顛倒地飛行。

為此，研究團(tuán)隊(duì)通過一種名為線性參數(shù)時(shí)變模型預(yù)測(cè)控制（MPC，Model Predictive Control）的復(fù)雜飛行控制器實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，與此同時(shí)，還能持續(xù)計(jì)算最優(yōu)關(guān)節(jié)位置與推進(jìn)器油門開度。

在測(cè)試時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)先是在計(jì)算機(jī)模擬中針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，隨后才進(jìn)行真實(shí)世界測(cè)試。之所以這樣做，是因?yàn)椴僮髋艢鉁囟瘸^ 600℃ 的推進(jìn)器存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。最終，他們成功演示了上述具有預(yù)定軌跡和能被精確跟蹤的飛行。

（來源：arXiv）

據(jù)了解，此前許多機(jī)器人平臺(tái)通常僅僅專注于地面移動(dòng)和操作，而本次機(jī)器人具備空中移動(dòng)能力。一言以蔽之，這種機(jī)器人既能飛行，又能與環(huán)境互動(dòng)，還可以清理廢墟，也可以協(xié)助定位甚至營救受害者。這可能會(huì)為協(xié)助執(zhí)行搜救任務(wù)、穿越倒塌建筑和淹水區(qū)域或進(jìn)入人類無法進(jìn)入的其他地形帶來幫助，也可以讓其針對(duì)人類難以接近的結(jié)構(gòu)，比如橋梁底部進(jìn)行維修，甚至可以將其部署在人類無法安全操作的危險(xiǎn)環(huán)境中，比如核泄漏現(xiàn)場(chǎng)或化學(xué)物質(zhì)泄漏現(xiàn)場(chǎng)。

當(dāng)機(jī)器人從地面啟動(dòng)升空

據(jù)介紹，本次飛行實(shí)驗(yàn)在意大利技術(shù)研究院機(jī)器人與智能系統(tǒng)中心的露臺(tái)飛行區(qū)域進(jìn)行，從谷歌地球獲取的該建筑的三維重建圖如下圖所示。

（來源：arXiv）

該實(shí)驗(yàn)設(shè)施由三個(gè)主要區(qū)域組成：首先是 iRonCub 區(qū)域，這也是執(zhí)行實(shí)驗(yàn)飛行的主要測(cè)試區(qū)。其次是控制室，這是軟件執(zhí)行和實(shí)時(shí)監(jiān)控的操作中心，位于距離飛行區(qū)安全的位置。再次是儲(chǔ)藏室，這是一個(gè)有遮擋的安全儲(chǔ)藏區(qū)域，用于存放實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備和燃料系統(tǒng)。下圖展示了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的 iRonCub 區(qū)域，圖中也展示了供應(yīng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油管路，其中噴氣燃料儲(chǔ)存在防爆容器內(nèi)的油箱中。

（來源：arXiv）

實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人被懸掛在 2 米高的起重機(jī)上，這樣做既能提供足夠的機(jī)動(dòng)性，又能保持牢固的系留狀態(tài)，從而能夠避免在控制器出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)生事故。

為了幫助散熱并保護(hù)機(jī)器人避免受到過熱影響，機(jī)器人的底部覆蓋耐熱氣凝膠材料，這可以使其免受噴氣排氣高溫的影響。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在地面上放置了與水泥磚相匹配的升高平臺(tái)，以便能夠抬起機(jī)器人，進(jìn)而在測(cè)試過程中最大限度地減少熱量積聚。

在控制室內(nèi)，有一臺(tái)筆記本電腦通過安全外殼協(xié)議（SSH，Secure Shell）連接至機(jī)器人的“車載計(jì)算機(jī)”，從而能夠針對(duì)所有控制模塊和估計(jì)軟件模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)。同時(shí)，還有一臺(tái)專用機(jī)器處理來自固定網(wǎng)絡(luò)攝像頭的數(shù)據(jù)記錄和視頻錄制。

（來源：arXiv）

另據(jù)悉，本次實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠支持實(shí)時(shí)遙測(cè)可視化，這有助于在飛行過程中監(jiān)控系統(tǒng)性能。而在每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，有兩名真人實(shí)驗(yàn)成員留在控制室監(jiān)督軟件操作，同時(shí)有一名真人實(shí)驗(yàn)成員在實(shí)驗(yàn)區(qū)域附近保持安全距離。

那名在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的真人實(shí)驗(yàn)人員可以直接監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，以便彌補(bǔ)控制室可能出現(xiàn)的任何溝通延遲，同時(shí)負(fù)責(zé)報(bào)告任何從內(nèi)部可能無法立即察覺的問題。

為了測(cè)試整體軟件架構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)讓機(jī)器人執(zhí)行起飛操作，并將高度提升約 1 米，以及讓其沿著正方形軌跡飛行。下圖展示了控制器在軌跡跟蹤方面的性能，由于這是一條相當(dāng)緩慢且平滑的軌跡，因此機(jī)器人能夠很好地跟隨它。

（來源：arXiv）

起飛階段大約從 t=5 秒開始，到 t=30 秒結(jié)束。在這一點(diǎn)之后，沿垂直（z）軸的參考軌跡開始上升，促使機(jī)器人從地面啟動(dòng)升空。下圖展示了機(jī)器人質(zhì)心（CoM，centre of mass）和基座方向的跟蹤性能。

（來源：arXiv）

在整個(gè)測(cè)試過程中，機(jī)器人將其橫滾角、俯仰角和偏航角保持在約 5 度的范圍內(nèi)。盡管如此，機(jī)器人在水平面上還是出現(xiàn)了明顯的偏移，沿 x 軸的位移約為 -20 厘米，沿 y 軸的位移約為 60 厘米。

而在參考指令發(fā)出約 2.5 秒后，z 坐標(biāo)開始增加，這標(biāo)志著起飛正式開始。接著，機(jī)器人在空中保持了大約 3 秒的飛行狀態(tài)，短暫著陸后再次起飛，并繼續(xù)超出目標(biāo)高度飛行了 3 秒。最后，機(jī)器人高度下降，且在姿態(tài)誤差超過指定限值后，由飛行控制器自動(dòng)斷電。

圖 | 此次飛行測(cè)試的幀圖像（來源：arXiv）

盡管這是一次相對(duì)成功的試飛，但是依然存在一些不足。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，機(jī)器人之所以與預(yù)期行為存在偏差，主要與仿真和現(xiàn)實(shí)之間的差距有關(guān)。

具體來說：

首先，模型預(yù)測(cè)控制框架依賴于噴氣動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)化模型，因此該模型無法準(zhǔn)確捕捉渦輪機(jī)的高動(dòng)態(tài)特性。其次，噴氣推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)引發(fā)振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)通過機(jī)器人結(jié)構(gòu)傳播，并影響機(jī)載慣性和速度估計(jì)傳感器，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)含噪，進(jìn)而降低控制性能。此外，力-扭矩傳感器的校準(zhǔn)仍然是一項(xiàng)難題，而推力估算的不準(zhǔn)確性會(huì)進(jìn)一步加劇控制難度。

（來源：arXiv）

但是，本次機(jī)器人所搭載的系統(tǒng)將噴氣推進(jìn)技術(shù)與全身控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了成功結(jié)合，從而能夠使用人形結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直飛行，這些結(jié)果證實(shí)了控制流程在理想環(huán)境下的有效性，并為實(shí)際部署奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來，研究團(tuán)隊(duì)在新的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中計(jì)劃實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的完整起飛和著陸。另外，他們還將改進(jìn)機(jī)器人基座位姿和推力估計(jì)。同時(shí)，其也將增強(qiáng)模型預(yù)測(cè)控制器的魯棒性，以更好地處理建模不準(zhǔn)確和外部干擾等問題，預(yù)計(jì)這些改進(jìn)將成為邁向人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自主空中運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵步驟。

（來源：arXiv）

值得一提的是，本次研究團(tuán)隊(duì)所在的意大利技術(shù)研究院，曾被Nature列入世界前 50 名新星科學(xué)研究所名單中。該研究院聚焦機(jī)器人、納米材料、生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)四大領(lǐng)域。在機(jī)器人領(lǐng)域，該機(jī)構(gòu)開發(fā)了 iCub、HyQ 等腿足式機(jī)器人平臺(tái)，其中 iCub 正是本次飛行機(jī)器人的原型。而該機(jī)構(gòu)的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器技術(shù)已通過 Alberobotics 公司實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

參考資料：

https://arxiv.org/pdf/2506.01125

https://www.iit.it/people-details/-/people/davide-gorbani

https://github.com/ami-iit/paper_gorbani_mohamed_2025_ironcub3

https://alberobotics.it/

運(yùn)營/排版：何晨龍