Bättre drönare – tack vare duvhöken

Drönare kommer i olika former. Varianter med fixerade vingar är energisnåla tack vare en strömlinjeformad design med lågt luftmotstånd och därmed väl lämpade för att flyga långt. De passar däremot sämre i stadskärnor eller täta skogar där navigeringen är mer komplex. Då behöver drönaren snabbt kunna bromsa in för att klara skarpa svängar, samt kunna flyga långsammare utan att tappa höjd, vilket kräver mer lyftkraft och luftmotstånd.

Fåglar löser problemet genom att fälla ut och fälla in sina vingar och stjärtfjädrar. Nu har schweiziska forskare tillverkat en drönare som kan göra samma sak, genom att utgå från kroppsform och flygteknik hos en vanlig rovfågel – duvhöken.

En propeller på drönarens nos skapar drivkraften, och med en knapptryckning på fjärrstyrningen kan både vingar och stjärt vecklas ut eller fällas in, som solfjädrar.

Drönaren kan flyga upp till 25 meter i sekunden, men är mest effektiv vid 9,6 m/s sett till lyftkraft kontra luftmotstånd. Under tester i en vindtunnel kring denna hastighet visade sig det infällda läget dubblera energieffektiviteten jämfört med det utfällda.

I det utfällda läget ökade istället lyftkraften och luftmotståndet med 70 respektive 60 procent. Det reducerade även drönarens minimumfart med nästan hälften, till cirka 4 meter i sekunden. Med infällt läge i samma låga fart skulle drönaren störtdyka.

Förutom att fällas ut eller in designades stjärtfjädrarna för att kunna vinklas upp eller ned. Detta visades ge lyftkraften en avgörande extra skjuts, berättar forskarna.

– Att fälla ut vingarna gör att nosen pekar uppåt. Det kan kompenseras för genom att vinkla stjärtfjädrarna nedåt, vilket skapar extra lyftkraft. Den synergin har tidigare inte demonstrerats inom drönarforskning, säger studiens huvudförfattare Enrico Ajanic, som doktorerar i robotik vid Swiss Federal Institute of Technology i Lausanne, Schweiz.

Forskarna genomförde även flera flygtester utomhus, då Enrico Ajanic själv fjärrstyrde drönaren. Men full kontroll över inställningarna i vingar och stjärt gjorde styrningen för komplex. Istället skapades förprogrammerade infällda och utfällda lägen att växla mellan.

– Anledningen var att drönaren kunde göra mer än min hjärna och mina fingrar kunde hantera. För att utnyttja alla nyanser i drönarens anpassningsförmåga vill vi framöver istället styra den med artificiell intelligens, säger Enrico Ajanic.

Tanken med studien var i första hand att lära sig mer om effektiv drönardesign, inte att dra prototypen hela vägen till en färdig produkt på marknaden.

– Istället ville vi studera principen bakom ving- och stjärt-anpassning för att se om den sedan kan användas på framtida drönare, säger Enrico Ajanic.

Varför kan man inte nöja sig med drönare som är olika bra på olika saker?

– Vi vet att drönare kommer att bli allt vanligare i framtidens städer. Ett exempel kan vara att skicka in drönare vid eldsvådor för att rapportera var det finns instängda människor. Då behöver drönaren både kunna navigera i små utrymmen, men även flyga längre sträckor eftersom städerna blir allt större.

Studien är publicerad i Science Robotics.

I videon som demonstrerar olika flygstilar pekar Enrico Ajanic särskilt på det som händer från 00:52. Där syns hur infällda vingar gör radien på loopen stor och yvig, medan utfällda vingar har motsatt effekt.