空中变形技术使得飞行、滚动机器人实现平稳过渡

这款名为ATMO（空中变形多态机器人）的新型机器人利用四台推进器实现飞行，而其保护推进器的护罩在切换至地面行驶模式时可转换为系统的轮子。整个变形过程仅依靠单个电机驱动中央关节，将ATMO的推进器抬升进入无人机模式或下压切换至驾驶模式。

研究人员在近期发表于《通讯工程》期刊的论文中阐述了该机器人及其精密控制系统。

"我们设计并建造了受自然启发的全新机器人系统——借鉴了生物通过改变身体形态实现不同运动模式的能力，"加州理工学院航空航天专业研究生、论文第一作者扬尼斯·曼德拉利斯（Ioannis Mandralis，22届硕士）说道。他举例称鸟类在飞行时会调整身体形态减速避障，"空中变形能力为提升自主性与鲁棒性开辟了广阔前景"。

但空中变形亦带来挑战。由于机器人贴近地面且变形时持续改变构型，复杂的气动效应随之产生。

"尽管观察鸟类着陆奔跑看似简单，实则是航空航天领域逾五十年来持续攻坚的难题，"加州理工学院汉斯·W·利普曼航空与医学工程教授、自主系统与技术中心（CAST）主任兼布斯-克雷萨领导席教授、加州理工学院研究生航空航天实验室（GALCIT）主任莫里·加里布（Mory Gharib，83届博士）指出。所有飞行器近地时都会遭遇复杂力场，以直升机为例：着陆过程中推进器向下喷射大量气流，气流撞击地面后形成反弹上升流；若下降过快，机体易被反弹气流形成的涡流卷入导致升力丧失。

ATMO面临的挑战更为严峻：既要应对复杂的近地力场，又因四台推进器持续改变相对喷射角度而产生额外湍流与不稳定性。

为解析这些复杂气动力，研究人员在CAST无人机实验室展开测试：通过测力计实验观测着陆构型变化对推力的影响，并实施烟气可视化实验揭示动力学变化的深层机制。

研究人员将实验洞见融入为ATMO开发的新型控制算法。该系统采用名为"模型预测控制"的先进方法，通过持续预测系统近期行为并实时调整动作维持预定轨迹。

"控制算法是本文的核心创新，"曼德拉利斯强调，"四旋翼飞行器因推进器布局及飞行特性采用特定控制器。而我们首次实现了动态构型可变的系统——机器人初始变形即引发动态耦合效应（不同力场相互干涉），控制系统必须具备应对此类快速响应的能力。"