Bezpilotní letadla plní stále víc úkolů, zatím se však jejich rozměry pohybují mezi pilotovanými stroji a leteckými modely. Odborníci však předpovídají skvělou budoucnost letounům velikosti malých ptáků nebo hmyzu.
Američtí odborníci pro tuto kategorii razí název Microdrone nebo Micro Air Vehicle (MAV). Jedná se o letadélka dlouhá několik málo desítek centimetrů. Pokud jsou ještě menší, říká se jim Nano Air Vehicles (NAVs). Jejich délka je jen několik centimetrů a hmotnost nepřesáhne deset gramů.
Ty už jsou dnes ve stádiu schopném vyjít z laboratoří do praxe. Podle svědectví jednoho technika, který s nimi údajně pracoval, „vypadají křehce, jsou tiché jako lehký větřík, létají rychlostí lidské chůze a mohou operovat bez přímé kontroly“. Někteří odborníci soudí, že nenesou vlastní zdroj energie, ale pohání je směrované elektromagnetické záření nebo jiný vnější zdroj.
Robotické letadélko, velké jako kolibřík nebo dokonce jako moucha, je na první pohled jen zajímavá hračka. Ve skutečnosti ale možná změní způsob válčení, výzkum planet a řadu dalších oblastí. „Vojáci potřebují něco, co dokáže prozkoumávat interiéry budov, jeskyně, tunely a podobné prostory,“ komentoval vývoj NAVs manažer americké agentury pro obranný výzkum (DARPA) Darryl Pinnes. „Zkrátka něco, co proletí oknem, aniž by to vzbudilo pozornost“.
Smrtící roj
Mikro- a nanodrony například mohou sloužit tam, kam se stále více přesouvá boj s terorismem, v městské zástavbě, uvnitř budov nebo v podzemních prostorách. Předpokládá se, že létající miniroboti doplní výzbroj malých odloučených jednotek pěchoty nebo skupin speciálního nasazení. Stroj schopný transportu v batohu a ovládaný notebookem by jim dal možnost pohledu z výšky na terén i na rozmístění nepřítele.
Nemusí přitom sloužit pouze jako nenápadní a všeteční průzkumníci. Stejně jako jedna včela mnoho nezmůže, zatímco roj dokáže zabít i člověka, tak i roj nanodronů může mít zničující účinky.
Někteří miniroboti z roje například dopraví do úkrytů protivníka chemikálie s narkotickým účinkem, takže bude možné zajmout nepřátele živé ještě předtím, než například stačí zabít rukojmí či zničit dokumenty. Jiné stroje zas budou likvidovat techniku a zabíjet. Roj stovek nebo tisíců kovových „much“ nesoucích výbušniny pronikne všude a zatím neexistuje prostředek schopný tomu zabránit. Voják, který takové smrtící hejno ovládá, přitom může být v relativním bezpečí, nebo lze akci dokonce naprogramovat dopředu.
Efektivní průzkum planet
Stejně dobře může roj miniaturních robotů sloužit k obraně proti nízkoletícím letadlům. Kromě toho mají mikro- a nanodrony dopravovat zprávy a munici jednotkám bojujícím ve složitém terénu nebo obklíčeným skupinám. Zejména v současné koncepci „chirurgických válek“ (přesně vedených úderů na citlivá místa protivníka) by mohly takové letounky hrát rozhodující úlohu.
Také při výzkumu vesmíru se nejspíš ukáže, že početný roj létajících „trpaslíků“ zmůže víc než jedna sonda. Už dlouho se například zvažuje vyslání průzkumného robotického letounu na Mars. Kvůli malé letové výdrži by ale efektivita nasazení takové sondy nejspíš nebyla příliš velká. Kdyby ale z kontejneru dopraveného raketou vyletěly stovky „včeliček“, prozkoumaly by mnohonásobně větší oblast planety. Navíc ztráta několika jedinců z roje by neznamenala konec mise, zatímco ztráta velké sondy ano.
Dalším uplatněním může být i vyhledávání obětí katastrof v troskách budov, inspekce nepřístupných prostor a mnoho jiných úkolů.
I křídla racka mohou být inspirací
Jedním ze zveřejněných programů MAV, připravených k operačnímu nasazení pro vojáky, je letounek s přiléhavým názvem Wasp (Vosa). Připomíná malý letecký model, vybavený dvěma kamerami a schopností samostatné navigace pomocí satelitního systému GPS. Postupem času má ve výzbroji nahradit podstatě větší bezpilotní průzkumné letouny Raven a Dragon Eye.
Jiné typy MAVs na objednávku amerických ozbrojených sil a kosmické agentury NASA vyvíjejí vědci z University of Florida. Nejmenší z nich mají rozpětí přibližně 15 centimetrů a jsou určeny pro bojové operace mezi městskými budovami. „Pokud chcete létat v kaňonech ulic, podél alejí a garáží a v okolí staveb, musíte umět rychle měnit směr, náklon a výšku letu,“ řekl vedoucí projektu Rick Lind z University of Florida. „Toho nelze docílit jinak, než změnou tvaru stroje za letu.“
Tajemství dronů z Floridy proto spočívá v napodobení racka. Křídlo je zkonstruováno tak, že miniaturní motorky dokáží za letu křídlo zcela „přestavět“ během pouhých 12 sekund. „Ptáci mění geometrii svých křídel během letu prakticky neustále,“ říká profesor Lind. „Není důvod, proč bychom to neměli dělat také“.
To by pilot nepřežil!
Vývoj létajícího minirobota vychází především z výzkumu nastavitelného křídla, který probíhal v NASA, a z pozorování skutečných ptáků, jenž vědci v rámci projektu filmovali. Lind navíc upozorňuje, že vycházejí i ze zkušeností prvních průkopníků letectví (např. bratří Wrightů, Louise Blériota). Jejich stroje totiž neměly klapky a další pohyblivé plochy, ale pilot křivil pružné křídlo pomocí soustavy lan. První modely University of Florida tento systém napodobovaly.
Později však konstruktéři vyšli z nafilmovaných „zkušeností“ racků. Nejnovější model tak má dvě polohy křídel, z nichž jedna dovoluje klouzavý let, zatímco druhá mu sice ubírá na stabilitě, ale umožňuje velmi obratné manévrování. Prototyp například umí provést za vteřinu tři obrátky o 360 stupňů. Skutečný letoun něco takového udělat nemůže – už proto, že přetížení by pilot nepřežil. Stroje kategorie MAV vyvíjí i Izrael, Francie, Itálie a další země.
Vážka z křemíku
Letadélko inspirované vážkou zas vyrobili odborníci z francouzské výzkumné organizace CNRS. Miniaturní letounek dlouhý pouhých 6 centimetrů by měl být předobrazem umělého hmyzu, který v budoucnosti převezme úlohu nenápadných průzkumníků. „To už není jen nějaké letecké modelaření,“ komentoval předvedení minirobota ředitel výzkumu Patrice Minotti. „Vyvinuli jsme systém založený na křemíkových nanotechnologiích, který se bere vzor z živých organismů,“ doplnil konstruktér Pierre Louvigné.
Umělá vážka Libellule je zhotovená výhradně z křemíkových prvků vytvořených podobnými postupy jako počítačové mikročipy. Jde o kompozity složené z několika nanovrstev různých křemíkových struktur silných od 0,5 do tří mikronů. Díky tomu váží letounek dlouhý 6 cm pouhých 20 mikrogramů. To je 5000krát méně než váha včely. Dva páry křídel pohánějí umělé svaly, jejichž vlákna dlouhá 150 mikronů se smršťují vlivem změn elektrického napětí.
Umělé svaly na chemický pohon
Na obdobu svalů vsadil i tým Roberta Michelsona z Georgie Tech Research Institute (USA). Křídla a pohon okopírovali od skutečného hmyzu, miniletadlo proto dostalo jméno Entomopter. Místo pevných křídel a vrtule má totiž mávavé nosné plochy, poháněné chemicky ovládanými svalovými vlákny. To umožňuje křídlům 10 kmitů za sekundu.
Před stavbou chemicky poháněného miniletadla si konstruktéři ověřili letové vlastnosti na modelu poháněném gumovým svazkem. Skutečný Entomopter čeká nasazení v armádě a při výzkumu planet.
Jak to dělá masařka?
Příklad z masařky si zas vzali vědci pracující na programu MFI (Micromechanical Flying Insect – Mikromechanický létající hmyz) amerického válečného námořnictva. Šlo o běžný druh mouchy z rodu Calliphora, která je vynikajícím letcem a současně je dost velká, aby se dala studovat stavbu jejího těla. Vědci se především zajímali o létací svaly, uspořádání křídel, mechaniku pohybu a ovládání letu.
První etapu projektu, výzkum letových vlastností much, vědci zahájili už v květnu 1998. Teprve po třech letech ale mohli konstatovat, že aerodynamice masařek rozumí natolik, aby se mohli pokusit o napodobení.
Zkoumání much ukázalo, že jejich skvělé letové výkony jsou především výsledkem vysokého výkonu létacích svalů. Dalším významným poznatkem bylo zjištění, že aerodynamika mouchy není stabilní a trvale vyvážená, jako tomu je u většiny klasických letadel. Naopak, masařka dosahuje vyváženého letu jen díky neustálé kontrole a mimořádně rychlým zásahům citlivých senzorů a nervové soustavy. Tak je tomu například i u nejmodernějších vojenských letadel.
Kam dospěl vývoj kovového hmyzu?
Po důkladném prostudování letu a anatomie much přistoupili vědci ke konstrukci prvního prototypu létajícího minirobota. Jeho svaly pracují na piezoelektrickém principu, tedy stahují se a natahují působením elektrického napětí. Dvojici tuhých křídel v komplikovaných závěsech dodává energii miniaturní lithiová baterie, dobíjená solárními články pod krátkým trupem. V místech, kde má živá moucha hlavu, jsou optické senzory kontrolující polohu. Na „zádech“ má kovový hmyz čip s kontrolním a komunikačním systémem.
První exemplář byl dokončen v srpnu 2001, kdy vědci zahájili jeho testování. Cílem bylo docílit stabilního letu, svislého startu i přistání a zdokonalení dálkového ovládání. Ve zbrojním výzkumu nebývá zvykem zveřejňovat nejnovější výsledky, a tak dnešní stav vývoje kovového hmyzu můžeme jen odhadovat…
První roj v akci
Miniaturní létající roboti mohou být efektivní pouze pokud pracují společně v roji. K tomu je ovšem třeba vyvinout i postupy, které umožní vzájemnou koordinaci jednotlivých členů takové skupiny, pokud možno zcela samostatně, bez nutnosti lidského dohledu.
Problém nyní řeší skupina amerických studentů z Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve spolupráci se společností Boeing. Na loňské výstavě Boeing Tech Expo předvedl tento studentský tým skupinu vzájemně spolupracujících malých bezpilotních strojů. Ty dokázaly ze vzduchu kontrolovat velký areál, přičemž potřebovaly jen minimální kontrolou člověka. Roj přitom současně vyhodnocoval stav svých členů a koordinoval své akce. Ve vzduchu bylo současně až pět robotů, do budoucna by jich však měly být i desítky či stovky.
Každý je nahraditelný!
Základem testovacího systému je malý létající stroj, který vypadá spíš jak dětská hračka. Jde o čtyři výkonné elektromotorky, z nichž každý roztáčí jednu malou vertikální vrtulku. Primitivní a levný vrtulníček ukrývá složitou elektroniku, obsahující také systém sledování polohy. Je bezdrátově propojen s pozemním počítačem, jehož program řídí všechny manévry od startu až po přistání. Především však kontroluje všechny členy roje a koordinuje jejich činnost ve vzduchu.
Konstruktéři rovněž postavili dok, kam se roboti vracejí dobíjet své baterie, aby se zas mohly ihned vracet do akce. „Každý z těch strojů je velmi jednoduchý, levný a snadno opravitelný nebo nahraditelný,“ vysvětluje Mario Valenti, jeden z členů vývojového týmu. „To je základem filosofie projektu – jeden robot je jen nepříliš významným kolečkem ve velkém soukolí. Teprve dohromady umí roj dělat velké a užitečné věci.“
V množství je síla
Létající roje robotů by jednou měly plnit významné úkoly při vojenských misích, od doprovodu konvojů, přes záchranné akce, hlídkování na hranicích až po plnění bojových úkolů. Stejně tak mohou fungovat jako velmi odolná komunikační nebo průzkumná síť. Jednotlivý robot bude pouze jedním a snadno nahraditelným uzlovým bodem takové sítě.
„Úspěch mnoha nebezpečných akcí bude jednou na flotilách miniaturních létajících robotů zcela záviset,“ konstatuje profesor Jonathan How, vedoucí týmu z MIT. „Důležité je, umět jich ve vzduchu udržet co nejvíc a co nejdéle. Náš výzkum k tomuto cíli úspěšně směřuje.“
Mikro UAV Wasp (Vosa)
rozpětí křídel: 33 cm
hmotnost: 210 g
výdrž ve vzduchu: 30 min
maximální výška letu: 300 m
maximální rychlost: 60 km/h
výbava: GPS, 2 kamery
Moucha (rodu Calliphora) versus robot MFI
masařka robot
pohon: svaly piezoelektrické krystaly
hmotnost pohonné jednotky: 50 mg 50 mg
frekvence kmitů křídla: 150 Hz 150 Hz
výkon křídla: 5 mW 10 mW
délka křídla: 11 mm 10 mm
celková hmotnost: 100 mg 100 mg
