随着科技的飞速发展，无人机技术已从单纯的远程感知扩展到与环境的物理交互领域，为可持续发展目标的实现提供了新的可能性。传统的空中物理交互方法依赖于复杂的控制策略和精确的环境建模，尽管能够实现高精度操作，但其在非结构化自然环境中的适应性和鲁棒性仍面临巨大挑战。受生物系统的启发，我们提出了"具身空中物理交互（E-APhi）"这一创新框架，通过将柔性形态学、分布式触觉感知与简约控制策略相结合，显著提升了无人机在动态、未知环境中的交互能力。这一范式不仅简化了控制需求，还支持高速、高韧性的操作，为生物多样性监测、工业检测等应用开辟了新途径。背景：无人机与环境的物理交互在环境监测、基础设施检测等领域展现出巨大潜力。然而，传统方法依赖刚性机械结构与集中式力控策略，面临三大核心挑战：1.环境适应性不足：自然场景（如树枝、植被）的力学特性差异显著（刚度跨度达4个数量级），基于精确建模的交互策略难以泛化。2.动态响应受限：高精度力控需牺牲速度（典型交互速度<0.1 m/s），无法满足高速采样、快速穿越等任务需求。3.系统复杂度高：多传感器融合与实时阻抗控制算法大幅增加计算负担，制约轻量化部署。现有解决方案多聚焦于局部优化（如末端执行器刚度调节），而生物系统（如鸟类抓握、昆虫碰撞恢复）表明，通过具身智能（Embodied Intelligence）与分布式触觉的协同，可实现鲁棒、高速的物理交互（速度达3 m/s，接触响应时间<0.1 s）。受此启发，本研究提出仿生embodied aerial physical interaction (E-APhI) 框架，将软材料形态、全身触觉传感与简约控制策略深度融合，为无人机在非结构化环境中的动态交互提供新范式。核心创新：仿生形态-传感-控制协同设计框架
1.形态-传感-控制的协同设计仿生柔性形态学：通过引入柔性结构（如鸟类爪部、软体抓取器），实现被动碰撞抑制与动态力生成，支持高速交互（>3 m/s）和复杂接触场景（如树枝抓取、植被穿越）。分布式触觉感知网络：采用半球形/盘状外壳的多点力传感设计，覆盖机器人全身，实时反馈接触位置与力信息，显著降低对精确末端定位的依赖（位置误差容忍度>10 cm）。简约控制策略：结合阻抗调节与被动行为（如阻尼振荡、自对齐），替代传统高精度力控算法，将交互任务响应时间缩短至0.1秒以下，提升动态环境适应性。2.动态交互与鲁棒性优化高速交互能力：突破传统APhI的"低速-高精度"限制，实现高达3.0 m/s的稳定交互速度，适用于未知或变刚度环境（如树枝采样）。被动行为主导的鲁棒性：通过形态学设计（如柔性外壳）将冲击能量转化为有效动作（如抓取力），减少主动控制需求，提升对动态障碍物（如摇摆植被）的适应性。分布式传感驱动的灵活性：全身触觉感知支持多接触点协同响应，允许任务策略动态调整（如滑动、推挤），无需预先建模环境物理特性。3.跨学科技术集成与验证材料与制造创新：结合3D打印与嵌入式传感技术，开发梯度刚度复合材料结构（如硅胶-碳纤维），实现传感-驱动-形态一体化设计。仿真-实验协同优化：开发高效动力学仿真工具，结合深度强化学习（DRL）探索形态与控制策略的协同优化，加速非直观设计（如分形抓取器）的发现。开放环境验证：在森林、建筑工地等非结构化场景中验证系统性能，展示eDNA采样、动态避障等任务的可行性，仿真-实验力追踪误差<5%。E-APhi通过形态智能与分布式感知的协同，将传统APhI的"复杂控制-高精度-低速"范式转变为"简约控制-高鲁棒-高速"，为无人机在自然与工业环境中的自主交互提供了全新解决方案。实验验证：从基础交互到复杂环境应用
1.柔性形态与被动行为验证（仿真与实物对比）我们首先构建了仿生柔性结构（如鸟类爪部、软体抓取器）的数值模型，通过有限元仿真预测其变形行为。在3.0 m/s的高速抓取实验中，柔性抓取器成功捕获不规则树枝，位置误差容忍度达10 cm，而刚性结构在相同条件下完全失效。特别值得注意的是，仿鸟爪设计展现出85%的冲击能量转化效率，仅需传统方法30%的控制指令即可维持稳定抓取。通过激光位移传感器测量，我们确认仿真与实验的变形轨迹均方根误差（RMSE）小于5%，验证了模型的准确性。2.分布式触觉感知系统测试为验证全身触觉感知的有效性，我们设计了多组对比实验。在刚度变化范围达10⁴ N/m的摇摆树枝场景中，配备半球形触觉外壳的无人机展现出卓越的鲁棒性：即使接触点偏移15 cm，仍能保持力追踪误差小于1.5 N。而在动态植被穿越任务中，盘状外壳无人机通过实时触觉反馈自主调整运动策略，以2.5 m/s的速度实现了98%的穿越成功率，较传统单点传感系统提升3倍以上。3.高速任务性能验证在环境DNA采样任务中，我们的系统仅需0.1秒即可完成采样，速度达到3.0 m/s时成功率仍保持95%。工业检测场景的测试结果显示：无人机以2.0 m/s速度扫描曲面管道时，借助分布式传感补偿10 cm定位误差，缺陷检出率与毫米级精度的低速扫描相当。这些数据充分证明了高速交互的可行性。结论：
本研究提出的具身空中物理交互（E-APhi）框架通过整合仿生柔性形态、分布式触觉感知和简约控制策略，实现了无人机在非结构化环境中的高效、鲁棒交互。实验验证表明，E-APhi系统在高速（3.0 m/s）、动态环境下展现出卓越的适应性，任务成功率显著优于传统方法，同时大幅降低了对复杂控制算法的依赖。这一突破不仅拓展了无人机在环境监测、工业检测等领域的应用潜力，也为具身智能在机器人领域的进一步发展提供了重要参考。未来，通过深化材料科学、传感技术和学习算法的融合，E-APhi框架有望推动空中机器人技术迈向更广泛的实际应用。