Птицы и насекомые используют мягкие крылья для маневров, протискивания через узкие проходы и выдерживания столкновений. Обычные квадрокоптеры с жесткими рамами способны на агрессивные маневры, но уязвимы при столкновениях и не могут менять размер.
Исследователи из ETH Zürich создали FlexiQuad — квадрокоптер с мягкой рамой, вдохновленный биологическими системами. Конструкция использует два ключевых принципа: анизотропную жесткость (разная гибкость в разных направлениях) и распределенную массу энергии. Прототип массой 405 грамм в тысячу раз более гибкий, чем обычные квадрокоптеры, но способен на акробатические маневры со скоростью выше 80 км/ч.
FlexiQuad состоит из тонкостенной мягкой кольцевой рамы из стекловолокна без центрального корпуса. Батареи, двигатели и управление распределены по окружности рамы в четырех блоках. Рама обеспечивает низкое сопротивление сжатию в плоскости, но примерно в 2.2 раза жестче против изгибающих нагрузок, направленных вдоль тяги винтов. Эта анизотропия позволяет дрону легко уменьшать горизонтальный размер для прохода через узкие отверстия и поглощать кинетическую энергию при столкновениях.
Прототип выдержал лобовые столкновения на скорости 5 м/с без повреждений, при этом пиковое ускорение составило всего 25.2 g. При скользящих столкновениях FlexiQuad уменьшает пиковые нагрузки в 39 раз, а дестабилизирующие моменты — в 15 раз по сравнению с жесткими дронами. Рама может полностью сжиматься, позволяя пролетать через щели шириной 70% от номинального размера дрона (180 мм против 254 мм). Активное сжатие осуществляется с помощью одного сервомотора массой 9 грамм и системы шкивов со струной.
Анализ показал, что FlexiQuad может воспроизводить ускорения жестких аналогов при соотношении тяги к весу до 8. Оптимальный диапазон жесткости конструкции составляет от 0.006 до 0.77 Н/мм — сравнимо с крыльями птиц и насекомых. В этом диапазоне модели FlexiQuad массой от 20 до 3000 грамм одновременно достигают маневренности, способности к сжатию и устойчивости к столкновениям. FlexiQuad расширяет возможности зависающих дронов в сложных условиях, обеспечивая надежные физические взаимодействия без ущерба для летных характеристик.
Источник новости и обложки: arxiv.org