Geisterdrohne Phantom Twist - die Drohne, die sich fast unsichtbar macht

Um Objekte quasi unsichtbar zu machen, gab es bisher schon verschiedene Versuche - etwa mit Kameras und Projektionsflächen, Spiegel- und Linsensystemen, adaptiven Displays oder sogenannten Metamaterialien. Forscher der Northwestern University haben jetzt eine interessante neue, speziell für Drohnen entwickelte Methode vorgestellt, die sich eine Eigenheit der menschlichen Wahrnehmung zunutze macht - lustigerweise die gleiche, die für uns auch Einzelbilder zu einem Film zusammenlaufen lässt.

Die Phantom Twist Drohne ist ein experimentelles Einpropeller-UAV mit einer ungewöhnlichen Konstruktion: Während sich der Propeller in eine Richtung dreht, rotiert praktisch der gesamte übrige, sehr filigrane Flugkörper mit bis zu 25 Umdrehungen pro Sekunde in Gegenrichtung. Dadurch verwischen die einzelnen Bauteile für das menschliche Auge zu einem schwachen, halbtransparent wirkenden Schleier, der mit dem Hintergrund verschmilzt. Die Drohne wird dadurch zwar nicht unsichtbar, aber sie verschwimmt optisch und wird zu einer Art optischem Phantom.

https://youtu.be/1mUgyV3A1O0

Die Phantom Twist nutzt dabei den Bewegungsunschärfeeffekt aus, der auch die Rotoren einer Drohne oder andere schnell bewegte Objekte durch ihre Bewegung kaum wahrnehmbar werden lässt. Die optische Tarnwirkung basiert darauf, wie das menschliche Sehen schnelle Veränderungen wahrnimmt: Es nimmt diese nicht einzeln wahr, sondern fasst sie über einen kurzen Zeitraum zu einem Gesamteindruck zusammen. Ein schnell bewegtes Objekt wird so nicht mehr als klar umrissene Form wahrgenommen. Stattdessen mittelt das visuelle System die dunklen Bauteile mit dem jeweils dahinterliegenden Hintergrund. Entscheidend ist daher nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit, sondern auch die räumliche Verteilung der Komponenten: Sie dürfen sich während der Rotation möglichst wenig zu einer geschlossenen dunklen Fläche überlagern.

Funktionsprinzip

Doch wie haben die Forscher diesen Effekt auf die ganze Drohne angewendet? Bei einem normalen Quadrokopter bleibt der zentrale Rumpf sichtbar, nur die Propeller rotieren schnell. Bei der Phantom Twist sind diese sonst bewegten Bauteile wie Motor, Akku, Steuerplatine und Gegengewichte schnell bewegt, weil der Motor außerhalb des Massenschwerpunkts sitzt und sein Drehmoment den gesamten Flugkörper, der in einer Tragstruktur aus dünnen Kohlefaserstäben befestigt ist, in eine schnelle Gegenrotation versetzt. Diese Rotation stabilisiert die Drohne gyroskopisch - gesteuert wird sie, indem der Motorschub innerhalb jeder Umdrehung zeitlich moduliert wird.

Funktionsbedingt ist bei einer solchen Drohne allerdings die Integration einer Kamera schwer, denn auch diese würde sich mitsamt dem Flugkörper 25-mal pro Sekunde drehen - so lassen sich leider kaum brauchbare Bilder erzeugen. Außerdem mag die Drohne zwar schwer visuell erkennbar sein, doch bleibt sie wegen ihres schnelldrehenden Rotors durch ein typisches hohes Sirren sehr wohl noch zu hören.

KI hilft bei der Konstruktion

Die ungewöhnliche Form wurde mithilfe von KI entwickelt. Das Team simulierte rund 20.000 Konfigurationen und ordnete Motor, Akkus, Steuerplatine und Gegengewichte so an, dass Schwerpunkt, Aerodynamik und Flugstabilität erhalten blieben. Anschließend wurden diese Modelle in Rotation simuliert und vor etwa 100 realen Hintergrundbildern bewertet. Die 500 unauffälligsten Varianten wurden ausgewählt und dann weiter optimiert - darauf basierend wurden dann einige Prototypen gebaut.

Zukünftiger Einsatz

Langfristig soll die neue Technologie zu Drohnen führen, die zum Beispiel Wildtiere beobachten, die Umwelt vermessen oder Infrastruktur inspizieren können, ohne dabei optisch so stark wie bisher aufzufallen oder ihre Umgebung unnötig zu stören - dazu müsste allerdings noch das Rotorengeräusch vermindert werden. Und natürlich eine Lösung für die rotierende Kamera gefunden werden.

Hier die Forschungsarbeit als PDF.