瑞士苏黎世联邦理工大学研发可抵御碰撞的柔性四旋翼无人机 FlexiQuad

ETH 苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一款名为 FlexiQuad 的灵活四旋翼无人机，旨在在碰撞的情况下仍能保持飞行能力。与传统无人机依赖刚性框架不同，这一新设计采用可变形的结构，能够通过改变形状来吸收冲击。尽管具备灵活的机身，FlexiQuad 仍能保持稳定的飞行，达到高速并执行灵活的机动。这一设计最终可以支持基础设施检查、救援行动及在狭小空间和挑战性环境中的环境监测等应用。

FlexiQuad 是一款能够抵御碰撞的灵活四旋翼无人机，旨在在不失去飞行能力的情况下承受冲击。与传统的刚性四旋翼无人机不同，该无人机特征是一个可变形的环形结构，能够吸收冲击力。这一设计使 FlexiQuad 在撞击障碍物时能够短暂改变形状，减少对其框架和机载元件的冲击力。尽管具备灵活的结构，该无人机的飞行速度可达 49 mph (约 80 km/h)，其加速度水平可与传统刚性无人机相比较。

灵活结构的设计原理

根据 ETH 苏黎世联邦理工学院的说法，这款无人机的主要创新在于其框架结合了灵活性与结构刚性。其环形机身没有中央机身，四个旋翼、电池和飞行控制模块分布在框架上，这一布局使结构能够在遇到障碍物时横向变形，同时在垂直方向上保持刚性。

研究人员从鸟类和昆虫中获得灵感，这些生物的翅膀可以在某些方向上弯曲，而在其他方向上保持相对刚性。利用这一原理，FlexiQuad 能够吸收碰撞能量，而不妨碍旋翼有效运作所需的力量传递。在碰撞测试中，研究人员以最高约 15.5 mph (约 25 km/h) 的速度将无人机飞向障碍物，其框架在撞击时暂时变形，减少了作用于结构的力量，使其能够继续飞行。研究人员表示，测试速度主要受限于加速无人机所需的空间。

应用范围与潜力

根据 Girardi 的说法，FlexiQuad 同时能达到与刚性无人机相当的线性和角加速度水平。灵活的结构还可以用于抓取和运输物体。在演示过程中，无人机拾取、运输并放置了一个柔软的急救包，还提升了一个超过其自身重量的载荷。这一设计可以支持在狭窄或杂乱环境中的作业，包括检查船舶压载水舱、在倒塌建筑内的搜救任务以及在密林中的环境测量。其能够耐受物理接触的能力也有助于其在可能中断任务的障碍物中导航。

另一个提议的应用是将网子安装在框架的中空部分，以捕捉不受控制的无人机。这一可变形的设计使重型无人机能够穿过狭窄的缝隙，携带额外的传感器，并延长飞行时间。FlexiQuad 采用模块化设计，旨在简化运输和组装。其机架材料成本低于 15 瑞士法郎，且有进一步降低成本的潜力。该框架还可以打开并折叠成一个适合放入中型行李箱的紧凑形状。快速释放的紧固件和可插入的电池最终能够使操作员在现场迅速组装无人机。

然而，自动驾驶仍然是技术挑战。碰撞后，灵活框架中的震动可能会模糊相机图像并干扰导航。研究人员正在使用强化学习教导无人机在撞击后利用机载运动传感器稳定自身，然后恢复自动飞行。他们也在研究框架变形和震动的测量是否可以提供额外的信息以便于飞行控制。

项目	规格
最高飞行速度	49 mph (约 80 km/h)
测试飞行速度	15.5 mph (约 25 km/h)

FlexiQuad 的技术创新与应用前景

FlexiQuad 的设计突破了传统无人机的刚性框架限制，通过可变形的结构来吸收冲击，这不仅提升了其在碰撞情况下的生存能力，还扩展了其应用范围。这款无人机的灵活性使其能在狭小或挑战性环境中进行有效作业，适合用于救援和环境监测等任务。此外，模块化设计和低成本材料也使得这款无人机在运输和组装上更具优势，未来有潜力在多个行业中发挥重要作用。