注：iRonCub3 是先前原型的技术升级版，它以最新一代的 iCub 类人机器人（iCub3）为基础开发而成，可进行远程操作。该机器人集成了四个喷气发动机大象配资，两个安装在手臂上，另外两个则安装在附于其背部的喷气背包上。图片来源：意大利理工学院（IIT - Istituto Italiano di Tecnologia）
意大利的研究人员成功完成了 iRonCub3 的首次飞行。这个机器人升空约 50 厘米，并且在整个飞行过程中保持稳定。一篇详细介绍这项成就的研究论文近日发表在《自然・通讯工程》上。
意大利理工学院（IIT）在人形机器人领域取得了重大突破，成功完成了 iRonCub3 的首次飞行。这是世界上首个为真实环境打造的喷气动力飞行人形机器人。研究团队分析了该机器人复杂的空气动力学特性，并开发了一套先进的控制系统来管理其相互连接的部件。
包括实时飞行测试在内的整个开发过程耗时约两年。在最近的实验中，该机器人升空约 50 厘米，同时保持稳定。这一成功标志着在打造能在复杂环境中运行且保持类人形态的飞行机器人方面迈出了一步。
有关空气动力学和控制工作的细节已发表在《自然・通讯工程》上，这是《自然》系列旗下的一本开放获取期刊。这项研究由意大利热那亚的 IIT 机器人专家与米兰理工大学 DAER 空气动力学实验室的亚历克斯・扎诺蒂团队（在该实验室进行了大量风洞测试）以及斯坦福大学的吉安卢卡・亚卡里诺团队（在该团队开发了用于空气动力学建模的深度学习算法）合作开展。
这次飞行演示是 IIT 的人工智能与机械智能（AMI）实验室的最新里程碑，该实验室由丹尼尔・普奇领导。他们的工作旨在通过整合行走和飞行功能来拓展多模态人形机器人的能力，目标是让机器人能够在非结构化和极端环境中导航。
设计与硬件创新iRonCub3 是早期原型机开发的下一步，它基于最新版本的 iCub 人形机器人（即 iCub3）打造，iCub3 专为远程操作而设计。该机器人配备了四个喷气发动机 —— 两个安装在手臂上，两个安装在背部的喷气背包上。为了支撑这些发动机，iCub 的硬件进行了改造，配备了新的钛合金脊柱和保护性耐热外壳。
安装喷气发动机后大象配资，该机器人重约 70 公斤。涡轮机可产生超过 1000 牛顿的最大推力。这种配置使机器人能够悬停并执行受控的飞行动作，即使遇到风干扰或不确定的环境条件也是如此。发动机的排气温度可高达 800 摄氏度。
“这项研究与传统的人形机器人技术截然不同，迫使我们在现有技术水平的基础上实现了重大飞跃，” 丹尼尔・普奇解释道，“在这里，热力学起着关键作用 —— 涡轮机排放的气体温度达到 700 摄氏度，流速接近音速。空气动力学必须实时评估，而控制系统必须同时处理慢速的关节致动器和快速的喷气涡轮机。测试这些机器人既迷人又危险，没有即兴发挥的空间。”
AMI 研究团队专注于机器人的动态平衡，由于其类人形状，这一任务尤其具有挑战性。与具有紧凑对称结构的传统无人机不同，iRonCub3 身形修长，重量分布在可移动的肢体上，重心也会发生偏移。这种复杂性要求开发先进的飞行平衡模型，该模型要考虑到机器人的多体动力学以及喷气推进与肢体运动之间的相互作用。此外，肢体的移动使机器人的空气动力学特性变得极为复杂，因为每一个动作都会改变空气在身体周围的流动方式。
人工智能与空气动力学建模IIT 的研究人员进行了大量的风洞实验、先进的计算流体动力学（CFD）模拟，并开发了基于人工智能的模型，能够实时估算空气动力。
“我们的模型包括在模拟和实验数据上训练的神经网络，并被整合到机器人的控制架构中，以保证稳定飞行，” 该论文的第一作者、IIT 与那不勒斯大学联合培养的博士生安东内洛・保利诺解释道，他曾作为访问学者在斯坦福大学度过了一个学期。
注：这次机器人飞行演示是热那亚 IIT 的人工智能与机械智能（AMI）实验室的最新里程碑，该实验室由丹尼尔・普奇领导。他们的研究旨在突破多模态人形机器人的极限，将地面移动和空中移动相结合，开发能够在非结构化和极端环境中运行的机器人。图片来源：意大利理工学院
因此，iRonCub3 配备了人工智能驱动的控制系统，使其能够在飞行时应对高速湍流气流、极端温度以及多体系统的复杂动力学问题。
IIT 开发的先进空气动力学建模表明，即使在非平稳动作期间，如发动机顺序点火或身体几何形状改变时，也能够保持姿态和稳定性。
这些研究成果可以应用于其他具有非常规形态的机器人，与传统无人机相比，这是一个独特的案例。传统无人机的平衡依赖于对称性和简化的控制策略，而这些策略往往忽略了机器人自身的空气动力学和热力学特性。
协同设计与集成系统iRonCub3 的最终设计是先进协同设计过程的成果，该过程专为将人工智能和多物理场整合到飞行机器人的设计中而开发。这些技术在机器人领域具有创新性，能够在考虑空气动力学、热力学和多体动力学之间复杂相互作用的情况下，同时优化身体形状和控制策略。
协同设计被用于确定喷气涡轮机的最佳放置位置，以最大限度地提高飞行过程中的控制力和稳定性。还采用了先进的设计技术来管理发动机产生的散热，从而确保机器人即使在极端运行条件下也能保持结构完整性。
该机器人经过了彻底的重新设计，以承受与空中移动相关的恶劣条件，并在精确驱动、通过集成传感器增强推力控制以及用于协调起飞和着陆的先进规划器等方面进行了重大改进。
在整个设计过程中，根据先进模拟和实验测试的结果进行了多次迭代调整，最终形成了机器人目前的配置。这种方法使团队克服了传统方法的局限性，代表着在复杂机器人系统的自动化和集成设计方面向前迈进了一步。
未来测试与应用iRonCub3 的首次飞行测试是在 IIT 的小型飞行测试区域进行的，机器人能够升空约 50 厘米。未来几个月，原型机测试将继续进行，并且通过与热那亚机场的合作，测试将得到进一步加强。热那亚机场将提供一个专用区域，由意大利理工学院按照所有必要的安全规定进行设置和配备。该区域将用于未来的实验活动。
像 iRonCub3 这样的飞行人形机器人的应用前景涵盖多种未来场景大象配资，例如灾区的搜救行动、危险或难以进入环境的检查，以及既需要操作能力又需要空中移动能力的探索任务。
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