Drone cánh cố định mô phỏng chim gõ kiến có thể chịu va chạm trực diện
Một nhóm nghiên cứu tại EPFL đã phát triển mẫu drone cánh cố định có khả năng sống sót sau các cú đâm thẳng vào vật cản. Thiết kế mang tên SWIFT vay mượn cơ chế bảo vệ đầu của chim gõ kiến để giảm lực tác động lên khung máy và cụm điện tử bên trong.
So với drone đa cánh quạt, dòng cánh cố định thường bay nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Đổi lại, khi lao vào cây hoặc một vật thể cứng, phần mũi và thân máy phải hứng trọn xung lực, khiến hư hỏng thường nghiêm trọng và khó sửa chữa. Các giải pháp kiểu lồng bảo vệ vốn quen thuộc trên drone đa rotor cũng không dễ áp dụng cho cấu trúc khí động học của máy bay cánh cố định. Vì vậy, bài toán không nằm ở việc bọc thêm khung bên ngoài, mà là tìm cách để chính thân máy hấp thụ va đập mà không phá hỏng hệ thống bay.
SWIFT, viết tắt của Shockproof Woodpecker-Inspired Flying Tensegrity, được phát triển dựa trên nguyên lý tensegrity, tức cấu trúc tự ổn định nhờ sự kết hợp giữa các phần tử cứng hoặc bán cứng với mạng cáp chịu lực căng. Trong tự nhiên, đầu chim gõ kiến gồm mỏ cứng, xương móng mềm quấn quanh hộp sọ, cùng một lớp xương xốp nằm giữa các cấu trúc này. Bố cục đó giúp phân tán và chuyển hướng năng lượng va đập, nhờ vậy não không phải gánh toàn bộ lực mỗi khi chim liên tục mổ vào thân cây. Trên drone SWIFT, vai trò của mỏ được thay bằng các thanh sợi carbon cứng; phần xương móng được mô phỏng bằng các dải sợi carbon uốn cong; lớp xương xốp được thay bằng cáp đàn hồi; còn “hộp sọ” là các tấm sợi carbon nối với ống carbon thông qua giá đỡ bằng nhựa polylactic acid.
Thay cho bộ não là động cơ, cánh quạt đẩy và các linh kiện điện tử, tất cả được treo bên trong cấu trúc thân bằng dây cao su. Nhóm nghiên cứu cho biết các thành phần này có đủ khoảng trống để dịch chuyển tối đa 22 cm khi xảy ra va chạm, từ đó tránh nhận trực tiếp toàn bộ xung lực. Cơ chế giảm chấn không chỉ nằm ở phần thân. Ở chim gõ kiến và nhiều loài chim khác, vùng khớp vai có mạng mô liên kết mềm được tiền ứng suất giúp xương chịu nén tốt hơn khi cánh va vào cành cây hay vật cản. SWIFT tái tạo nguyên lý này bằng mạng 12 dây đàn hồi kết hợp với các thanh sợi carbon để nối mỗi cánh với thân chính. Cấu hình đó vừa hấp thụ lực có thể làm gãy hoặc bật cánh khỏi thân, vừa hạn chế phần năng lượng truyền vào khoang chứa thiết bị điện tử.
Theo nhóm phát triển, hai hệ thống giảm chấn dựa trên tensegrity của SWIFT có thể cắt giảm lực va đập tới 70% so với một mẫu drone thương mại có kích thước và khối lượng tương đương. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Robotics Research. Nếu các thử nghiệm tiếp theo xác nhận hiệu quả trong vận hành thực tế, hướng thiết kế này có thể giúp drone cánh cố định bền hơn đáng kể khi bay trong môi trường rừng, đô thị dày đặc hoặc không gian chật hẹp, nơi rủi ro va chạm luôn là giới hạn lớn đối với khai thác thương mại và nhiệm vụ tự động.