Ingenieurs van de Northwestern University hebben een drone ontwikkeld die door snel rond te draaien minder goed zichtbaar is tijdens de vlucht. Het prototype, Phantom Twist, draait tot 25 keer per seconde om zijn eigen as. Bij die snelheid zijn de afzonderlijke onderdelen nauwelijks nog van elkaar te onderscheiden. Voor het menselijk oog verandert de drone daardoor in een vage, halfdoorzichtige waas in plaats van een duidelijk herkenbaar object.
Volgens de onderzoekers kan deze aanpak de visuele verstoring verminderen van drones die worden ingezet voor natuuronderzoek, milieumetingen en inspecties van infrastructuur. In zulke situaties kunnen drones het gedrag van mensen en dieren beïnvloeden zodra ze worden opgemerkt.
Eerdere pogingen om drones minder zichtbaar te maken richtten zich vooral op camouflage, transparante materialen of optische technieken die licht afbuigen. Het team van Northwestern koos een andere benadering: de drone is ontworpen op basis van de manier waarop het menselijk oog snel bewegende objecten waarneemt.
“De meeste pogingen om drones te verbergen zijn erop gericht ze op te laten gaan in hun omgeving,” zegt Michael Rubenstein, universitair hoofddocent Informatica en Werktuigbouwkunde aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. “Wij vroegen ons af of we de drone juist konden ontwerpen rond de manier waarop mensen beweging waarnemen.”
In tegenstelling tot een conventionele quadcopter, die een stilstaande romp heeft met vier draaiende propellers, gebruikt Phantom Twist slechts één motor en één propeller. Terwijl de propeller in de ene richting draait, draait de rest van de drone de andere kant op. Daardoor blijft er tijdens de vlucht geen groot stilstaand onderdeel zichtbaar.
Het onderzoeksteam gebruikte computermodellen om ongeveer 20.000 configuraties te ontwikkelen die stabiel konden vliegen. Vervolgens optimaliseerden algoritmen de positie van de motor, propeller, printplaat, accu’s en het contragewicht om de zichtbaarheid vanuit verschillende kijkhoeken zo klein mogelijk te maken.
De onderzoekers simuleerden de ontwerpen terwijl ze ronddraaiden en plaatsten de beelden vervolgens tegen meer dan honderd realistische achtergronden. Een computermodel dat de menselijke waarneming benadert, gaf elk ontwerp een score voor zichtbaarheid. De 500 ontwerpen met de laagste score werden daarna verder geoptimaliseerd voordat het prototype werd gebouwd.
In het uiteindelijke ontwerp zijn de verschillende onderdelen verdeeld over meerdere hoogtes en hoeken. Ook zijn er bewust open ruimtes aangebracht, zodat onderdelen elkaar tijdens het draaien visueel zo min mogelijk overlappen. Door de bewegingsonscherpte lijken de ondoorzichtige onderdelen als het ware samen te vloeien met de achtergrond.
“Het menselijk oog heeft tijd nodig om visuele informatie te verwerken, vergelijkbaar met de belichtingstijd van een camera,” zegt Emma Alexander, universitair hoofddocent Informatica aan Northwestern. “Wanneer een object snel ronddraait, ervaren we het als een wazig beeld waarbij de afzonderlijke kenmerken verdwijnen.”
Volgens het waarnemingsmodel van de onderzoekers is het geoptimaliseerde ontwerp ongeveer tien keer minder goed zichtbaar dan een traditionele quadcopter. Die vergelijking is gebaseerd op een computermodel voor zichtbaarheid en betekent dus niet dat de drone volledig onzichtbaar is.
Het prototype kent nog wel beperkingen. De propeller maakt hoorbaar geluid en ook de bedrading en draagconstructie blijven zichtbaar. De onderzoekers willen in toekomstige versies onderzoeken of transparantere materialen en stillere aandrijfsystemen deze nadelen kunnen verminderen.
Aan het project werkten daarnaast ook Northwestern-onderzoekers Sam Kriegman, David Matthews, Jingxian Wang en Chen Yu mee.
