Dron znika na twoich oczach. Wystarczy, że zacznie wirować

Nie pomalowali go w barwy nieba, nie pokryli ekranami i nie zbudowali z cudownego przezroczystego materiału. Naukowcy z Northwestern University zastosowali znacznie prostszą sztuczkę. Ich dron obraca się tak szybko, że ludzkie oko nie potrafi już rozpoznać jego kształtu. Zostaje jedynie delikatna, półprzezroczysta mgiełka.

Phantom Twist wygląda dość dziwnie, ale tylko dopóki leży nieruchomo. Silnik, dwa akumulatory, płytka sterująca i przeciwwagi są rozstawione na cienkich prętach z włókna węglowego. Konstrukcja przypomina bardziej rozsypane części elektroniczne niż klasyczny statek powietrzny.

Wszystko nabiera jednak sensu po starcie. Dron ma tylko 1 silnik i 1 śmigło. Śmigło obraca się w jednym kierunku, a reakcja na generowany moment obrotowy wprawia całą resztę maszyny w ruch przeciwny. Korpus wykonuje od 15 do 25 pełnych obrotów na sekundę.

Zwykły quadcopter pozostaje nieruchomy, nawet jeżeli jego śmigła wirują z ogromną prędkością. Widzimy więc centralny korpus, ramiona, baterię i elektronikę. W Phantom Twist nie ma natomiast większego elementu, który spokojnie wisiałby w jednym miejscu i pozwalał oku uchwycić wyraźny kontur.

Przy odpowiednio dużej prędkości obrotowej poszczególne pozycje elementów nakładają się w naszym układzie wzrokowym. To podobny efekt do szybko obracającego się wentylatora. Wiemy, że łopatki nadal tam są, ale zamiast każdej z osobna widzimy rozmyty, częściowo przezroczysty okrąg.

Dron oczywiście nie staje się naprawdę niewidzialny. Nie znika z radaru, kamery termowizyjnej ani nagrania zarejestrowanego z odpowiednio krótkim czasem ekspozycji. Oszukuje przede wszystkim człowieka, który patrzy na niego gołym okiem.

Samo wirowanie jednak nie wystarczy. Gdyby ciężkie elementy zostały ustawione jeden za drugim albo blisko osi obrotu, utworzyłyby ciemne pierścienie widoczne nawet podczas szybkiego ruchu. Naukowcy musieli więc znaleźć taki układ baterii, silnika, elektroniki i przeciwwag, który jednocześnie pozwoli latać stabilnie i pozostawia jak najwięcej pustej przestrzeni. Ręczne szukanie najlepszego rozwiązania byłoby męczące, dlatego zadanie to dostał komputer.

Najpierw wygenerowano około 20 tys. możliwych konstrukcji spełniających 10 warunków związanych m.in. z masą, środkiem ciężkości, bezwładnością, aerodynamiką i stabilnością lotu. Następnie 500 najmniej widocznych projektów poddano dalszej optymalizacji.

Każdy wirtualny dron oglądano z różnych stron i nakładano jego rozmyty obraz na 100 rzeczywistych teł. Model komputerowy oceniał, jak bardzo wersja z dronem różni się od czystego zdjęcia. Im mniejsza różnica, tym lepszy kamuflaż.

Fajne jest to, że algorytm nie wymyślił żadnego magicznego materiału. Po prostu rozsunął elementy, umieścił je na różnych wysokościach i ograniczył ich wizualne nakładanie się podczas obrotu. Człowiek intuicyjnie zbudowałby zwartą, uporządkowaną konstrukcję. Maszyna celowo zrobiła bałagan, bo właśnie taki układ był trudniejszy do zobaczenia.

Najlepszy Phantom Twist okazał się około 10 razy mniej zauważalny, niż podobnej wielkości quadcopter. Dodatkowa optymalizacja zmniejszyła jego wskaźnik widoczności średnio o kolejne 12 proc.

Na pierwszy rzut oka maszyna powinna tylko podskakiwać albo kręcić się bez kontroli. Nie ma przecież 4 osobnych śmigieł, których prędkość można zmieniać niezależnie, aby polecieć w wybranym kierunku.

Sterowanie odbywa się jednak poprzez bardzo precyzyjne zmiany mocy jedynego silnika podczas każdego obrotu. Zwiększenie ciągu w odpowiednim momencie lekko przechyla całą konstrukcję. Dron zaczyna wtedy przesuwać się poziomo. Średnia moc silnika odpowiada natomiast za wznoszenie i opadanie.

Moment wydania impulsu musi być wyliczony z dokładnością większą niż 5 ms. W przeciwnym razie urządzenie może stracić stabilność. Podczas testów synchronizacja działała z dokładnością do 0,1 ms.

Zbudowane prototypy potrafiły utrzymywać kontrolowany zawis przez około 10 min. Średni błąd pozycji wynosił około 3 cm, a największe odchylenia pozostawały poniżej 10 cm. Jak na coś, co bez przerwy wiruje i wygląda jak elektroniczne konfetti, wynik jest całkiem dobry.

Konstrukcja waży około 35 g, czyli mniej więcej tyle, ile mikrodron przeznaczony do polowania na owady. Jak pisaliśmy w tekście: Mały dron poluje na komary i je likwiduje. Chcę taki natychmiast, miniaturyzacja pozwala budować maszyny zdolne działać bardzo blisko ludzi, zwierząt i przeszkód. Phantom Twist dokłada do tego jeszcze jedną cechę: trudniej zauważyć, że w ogóle się pojawił.

Prototyp ma niestety jednak sporo ograniczeń. Największe słychać od razu. Śmigło nadal generuje charakterystyczny hałas, więc dron można usłyszeć, nawet gdy trudno go zobaczyć. Cichy las nie jest najlepszym miejscem do ukrywania maszyny brzmiącej jak zirytowany owad.

Widoczne pozostają również przewody, cienkie wsporniki i część mechanizmu startowego. Przy mocnym oświetleniu urządzenie może migotać, a ruchy całej konstrukcji sprawiają, że rozmyta plamka przesuwa się na tle i ponownie zwraca uwagę obserwatora.

Przeczytaj także:

Co ważne, Phantom Twist nie jest jeszcze autonomicznym dronem terenowym. Podczas prób jego pozycję śledził zewnętrzny system kamer OptiTrack, a dane trafiały do kontrolera. Maszyna nie ma na razie własnego zestawu czujników pozwalających swobodnie latać poza laboratorium.

Dodanie kamer, układów nawigacyjnych i większego akumulatora może z kolei zepsuć cały efekt. Każdy nowy element zwiększa masę, zasłania fragment tła i musi zostać tak rozmieszczony, aby nie utworzył wyraźnego pierścienia podczas wirowania.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Northwestern University