Od dekad niewidzialność czegokolwiek w ujęciu technicznym wygląda w naszych wyobrażeniach podobnie. Obiekt ma odbijać światło tak sprytnie, żeby pokazać obserwatorowi tło, otoczyć się aktywnymi ekranami albo otrzymać powłokę, która zmieni kolor niczym skóra głowonoga. Innymi słowy, zawsze próbujemy zmusić maszynę do idealnego dopasowania się do świata. Tutaj wchodzi wspomniany Phantom Twist, który nie zmienia koloru, nie projektuje obrazu otoczenia na swojej powierzchni i nie wykorzystuje żadnych egzotycznych metamateriałów. Zamiast tego obraca się do 25 razy na sekundę, a więc z częstotliwością 25 Hz, odpowiadającą około 1500 obrotom na minutę.
Phantom Twist nie ma płaszcza niewidki. Wiruje całym korpusem
Przy tak szybkim ruchu drona Phantom Twist człowiek przestaje widzieć wyraźny zarys konstrukcji. W praktyce bowiem poszczególne części rozmywają się, tracą ostre krawędzie i zaczynają wyglądać jak blada, częściowo przezroczysta smuga. Dron nie staje się więc dosłownie niewidzialny. Zamienia się raczej w coś, czego oko nie potrafi już złożyć w konkretny obiekt.
Czytaj też: KIZILELMA z JET-230 to naddźwiękowy pogrom. Turcja uzbraja drony jak prawdziwe myśliwce
Najważniejszą zmianą względem typowego quadkoptera jest jednak nie sama prędkość wirowania, a fakt, że w Phantom Twist obraca się praktycznie cała maszyna. Klasyczny dron ma cztery szybko pracujące śmigła, ale jego centralny korpus pozostaje nieruchomy i doskonale widoczny. Konstrukcja proponowana przez inżynierów wykorzystuje z kolei tylko jeden silnik i jedno śmigło. Wirnik obraca się w jednym kierunku, podczas gdy reszta maszyny, zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu, kręci się w przeciwnym.
Oznacza to, że nie ma tu dużej, nieruchomej bryły, na której wzrok mógłby się skupić. Położeniem drona można sterować poprzez zmianę ciągu silnika w odpowiedniej fazie każdego obrotu. Taka architektura jest znacznie mniej intuicyjna niż cztery niezależnie kontrolowane wirniki, ale pozwala połączyć lot z ciągłym ruchem całej konstrukcji.
Niewidzialności nie narysował człowiek. Wyliczył ją algorytm
Najbardziej futurystyczna część tego projektu nie kryje się nawet w sposobie lotu. Chodzi o proces projektowania, w którym najważniejsze pytanie nie brzmiało “Czy ten dron będzie wyglądał dobrze?”, ale “Jak rozmieścić wszystkie elementy, żeby podczas obrotu zmieniały obraz w możliwie najmniejszym stopniu?”. Dążąc do odpowiedzi na to drugie pytanie, zespół wygenerował komputerowo około 20 tysięcy konfiguracji zdolnych do stabilnego lotu. Algorytmy przestawiały silnik, śmigło, akumulatory, płytkę sterującą, przeciwwagę i pozostałe części konstrukcji, pilnując jednocześnie ograniczeń aerodynamicznych i bezwładnościowych.
Czytaj też: Drony będą latać w nieskończoność. Rój na bezprzewodowej kroplówce to wojskowy koszmar
Każdy z obiecujących projektów został następnie zasymulowany w ruchu i nałożony na 100 różnych teł przedstawiających prawdziwe otoczenie. Widoczność oceniano za pomocą LPIPS, czyli metryki porównującej obrazy w sposób zbliżony do tego, jak podobieństwa oraz różnice odbiera człowiek. Nie chodziło więc wyłącznie o sprawdzenie, ile pikseli zmieniło kolor. System miał oszacować, czy pojawienie się drona rzeczywiście rzuca się w oczy.
Z pierwszej selekcji inżynierowie wyselekcjonowali 500 najmniej zauważalnych konstrukcji. Następnie algorytm ponownie przesuwał ich elementy, stopniowo zmniejszając wpływ wirującej maszyny na oglądany obraz. Dopiero gdy projekt spełniał jednocześnie wymagania optyczne oraz lotnicze, powstał fizyczny prototyp. Oznacza to, że sam algorytm nie stworzył tutaj efektownego kształtu do pokazania na konferencji. Otrzymał fizyczne części, zbiór ograniczeń i konkretną definicję widoczności, a następnie ułożył maszynę w sposób, którego człowiek prawdopodobnie nawet nie próbowałby naszkicować. Elementy w gotowym dronie znajdują się na różnych wysokościach, pod różnymi kątami i w znacznych odstępach. Na pierwszy rzut oka wygląda to bardziej jak nieuporządkowany szkielet niż przemyślana maszyna. W ruchu właśnie ten chaos zaczyna jednak działać.
Ludzkie oko nie działa w klatkach na sekundę, ale potrzebuje czasu
Układ wzrokowy nie działa jak monitor odświeżany 60 czy 144 razy w ciągu sekundy. Siatkówka oraz mózg integrują bodźce świetlne w pewnym przedziale czasu. Jeśli obiekt pozostaje w jednym miejscu wystarczająco długo, dostrzegamy jego kształt, krawędzie i szczegóły. Jeśli jednak bardzo szybko przemieszcza się pomiędzy wieloma pozycjami, to kolejne obrazy nakładają się na siebie. Powstaje wtedy rozmycie ruchowe przypominające zdjęcie wykonane aparatem ze zbyt długim czasem ekspozycji.
Phantom Twist wykorzystuje ten mechanizm wyjątkowo bezczelnie. Jego elementy nie tworzą podczas obrotu jednolitego, ciemnego dysku. Są rozrzucone w przestrzeni, więc przez większość czasu za nimi nadal znajduje się widoczne tło. Oko uśrednia krótkie chwile, w których dany fragment konstrukcji zasłania otoczenie, z momentami, w których w tym samym miejscu nie ma niczego. Rezultatem jest delikatna mgła zamiast ostrej sylwetki.
Czytaj też: Polska zrobiła własnego Shaheda. Dron Szerszeń ma dolecieć nawet pod Moskwę
Według metryki wykorzystanej przez twórców zoptymalizowany Phantom Twist jest około dziesięciokrotnie mniej zauważalny wizualnie niż konwencjonalny dron typu quadkopter. Należy jednak podkreślić dwa słowa: “według metryki”. Zespół zbudował działające prototypy i potwierdził możliwość kontrolowanego lotu, ale nie oznacza to jeszcze, że dron pozostanie dziesięciokrotnie trudniejszy do zauważenia dla każdego człowieka, przy dowolnym oświetleniu, tle, odległości oraz kącie obserwacji.
To nie jest dron stealth, którego nie wykryje żadna technologia
Wokół Phantom Twist bardzo łatwo byłoby zbudować opowieść o niewidzialnych maszynach wojennych. Zwłaszcza dziś, kiedy niewielkie bezzałogowce stały się jednym z najważniejszych rodzajów uzbrojenia i systemów rozpoznawczych. Tyle tylko, że sam termin stealth nie oznacza jednej, uniwersalnej niewidzialności. Pisałem już o tym przy technikach ograniczających sygnaturę samolotów i okrętów, które osobno próbują radzić sobie z radarami, termowizją, podczerwienią, hałasem oraz obserwacją wzrokową.
Phantom Twist został zoptymalizowany głównie pod ludzką percepcję obrazu. Sam zespół przyznaje, że pracujące śmigło pozostaje słyszalne, a przewody oraz elementy podtrzymujące konstrukcję nadal można zauważyć. Planowane są kolejne wersje wykorzystujące bardziej przezroczyste materiały i cichszy napęd, ale każda taka poprawka będzie musiała ponownie zmierzyć się z masą, stabilnością oraz zapotrzebowaniem na energię.
Problem spotęguje się, gdy do konstrukcji dołożymy użyteczny ładunek. Kamera, stabilizator, czujnik, antena, wydajniejszy akumulator czy system transmisji danych nie mogą pojawić się bez konsekwencji. Zwiększą masę, zmienią rozkład bezwładności, a przede wszystkim dołożą kolejne nieprzezroczyste elementy, które podczas obrotu utworzą bardziej widoczną plamę.
Dzisiejszy Phantom Twist jest więc dowodem działania zasady, a nie gotowym niewidzialnym dronem zwiadowczym. Bardzo dobrym dowodem, ale nadal takim, który lata w warunkach eksperymentalnych i został zbudowany wokół jednego, precyzyjnie zdefiniowanego zadania. Trudno jednak uznać, że byłby np. świetnym wyborem do monitorowania przyrody, bo przecież nie pozostaje obojętny dla otoczenia m.in. przez swoje śmigło. Praktyczne znaczenie dronów w biologii widać już przy zdalnym monitorowaniu kondycji dzikich zwierząt, gdzie obraz z powietrza może posłużyć nawet do analizy oddechu i pracy serca. Trudno jednak mówić o całkowicie nieinwazyjnym pomiarze, jeśli badana antylopa lub ptak przez cały czas obserwuje drona.
Źródła: Northwestern University
