Flexibler Quadkopter übersteht Kollisionen durch Verformung und fliegt weiter

Ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) hat mit dem FlexiQuad einen Quadkopter entwickelt, der durch seinen flexiblen Aufbau Kollisionen bei Geschwindigkeiten bis etwa 25 km/h übersteht und weiterfliegen kann. Der speziell konstruierte Korpus der Drohne ist so angelegt, dass er sich an einigen Stellen stark verformen und Aufprallenergie aufnehmen kann, trotzdem aber genügend Steifigkeit bietet, um stabil und mit hoher Geschwindigkeit fliegen zu können.

Quadkopter-Drohnen sind fast alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: An einem starren Rahmen sind vier Motoren mit Rotoren angebracht. Elektronik und Batterie sind mittig im Rahmen positioniert. Dieser Aufbau mit einem verwindungsfreien Rahmen hat den Vorteil, dass dadurch die Flugeigenschaften und die Steuerung konstant bleiben und die Drohne hohe Geschwindigkeiten erzielen kann. Doch dieser Aufbau hat einen entscheidenden Nachteil: Bei einer Kollision kann der unnachgiebige Rahmen schnell beschädigt werden. Die Forscher der ETH Zürich haben dies bei der Entwicklung des FlexiQuad berücksichtigt und einen Rahmen geschaffen, der Flexibilität und Festigkeit miteinander vereint, wie aus einer Mitteilung der Universität hervorgeht.

Ringförmiger flexibler Rahmen mit definierter Steifigkeit

Die Drohne verzichtet auf einen zentralen Körper und nutzt stattdessen einen ringförmigen Rahmen aus einem weichen Material. Zentrale Verstrebungen im Inneren des Rings fehlen. Dadurch kann sich der Ring bei einem Krafteinfluss von außen verformen und Aufprallenergie zu einem großen Teil aufnehmen. Der Rahmen ist dabei aber nicht an allen Stellen gleich weich. Er kann sich zwar bei horizontalen Krafteinflüssen verformen, weist vertikal jedoch eine hohe Festigkeit auf. Die Forscher haben sich dabei an den Flügeln von Vögeln und Insekten orientiert, die sich in manchen Richtungen verformen lassen, in anderen aber steif sind. Der Vorteil dieser Festigkeit des Rings in der Vertikalen ist, dass dadurch die Steuerung und die Flugeigenschaften des Quadkopters weitgehend konstant bleiben und sich die nötigen Kräfte besser übertragen.

Die vier Motoren mit den Rotoren sind gleichmäßig am Ring verteilt. Die Elektronik sowie die Batterie befinden sich ebenfalls gleichmäßig verteilt an der Innenseite des Rings, können so bei einer Kollision also nicht so einfach beschädigt werden.

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Die Forscher schreiben, dass der weiche Rahmen keine nennenswerten Auswirkungen auf die Flugeigenschaften der Drohne hat. Der Quadkopter erziele lineare Beschleunigungen und Winkelbeschleunigungen, die mit starr aufgebauten Drohnen vergleichbar seien. Die Drohne sei agil, setze problemlos Steuerungsbefehle um und könne eine Geschwindigkeit von bis zu 80 km/h erreichen. „Weich bedeutet nicht automatisch langsam“, sagt Luca Girardi, einer der beteiligten Forscher des FlexiQuad-Projekts, der mittlerweile am Mobile Robotics Lab der ETH Zürich forscht.

Die Forscher testeten die Haltbarkeit des FlexiQuad, indem sie die Drohne mit Geschwindigkeiten bis zu 25 km/h gegen Hindernisse fliegen ließen. Der Körper verformte sich dabei und absorbierte einen großen Teil der Aufprallenergie. Die Drohne konnte dann den Flug mithilfe ihrer Sensoren und KI-Steuerungsmechanismen stabilisieren und autonom weiterfliegen. Kollisionen mit höheren Geschwindigkeiten haben die Forscher nicht getestet.

Die ringförmige Struktur habe aber noch weitere Vorteile: So kann die Drohne etwa Lasten transportieren oder mit einem in der Ringmitte gespannten Netz andere Drohnen abfangen. Die eigentlichen Einsatzgebiete des FlexiQuad sind jedoch eher Aufgaben in engen Gebäuden oder in unübersichtlichen Gebieten, wo viele Hindernisse vorhanden sind, gegen die die Drohne im Flug anstoßen könnte. Die Wissenschaftler nennen etwa Inspektionen und Such- und Rettungseinsätze als mögliche Anwendungen. Hinzu komme, dass ein solch flexibler Rahmen eine Drohne nicht verteuere. Ein weicher Rahmen lasse sich für Materialkosten von weniger als 15 Schweizer Franken (rund 16 Euro) herstellen.

Die Forscher haben die Technik zum Patent angemeldet. Zudem ist der FlexiQuad für den Spark Award 2026 nominiert. Die ETH Zürich zeichnet damit jährlich die vielversprechendste Erfindung aus, die im Vorjahr zum Patent angemeldet wurde. Der Gewinner wird am 26. November bekanntgegeben.