F-SAM — 折りたたんで筒状にできる柔軟なドローン
空飛ぶロボットの製作には、実はそれほど多くの機材は必要ないことが分かった。空飛ぶロボットは一般的に非常に複雑に設計され、二枚の翼や四つの独立したモーターなど、多くの部品を備えている。
こうした機器は資金の潤沢な人のために作られているのかもしれないが、手頃な予算で作ろうとする人にとって、空飛ぶロボットの製作に実際に必要なのは、一枚の翼型と、固定ピッチのプロペラを取り付けたものだけだ。さらに、この翼型を柔軟にすれば、スイスのアーミーナイフのように丸ごと折りたたむことさえできる。
この種の無人航空機はモノコプターと呼ばれ、その設計の基本はカエデの種子に基づいている。カエデの種子は「翼」を持つ一つの種子の殻で、安定して回転することで地面への落下が遅くなり、数キロメートルも遠くまで散らばることができる。本質的に安定した構造で、自ら回転し、整然と予測可能な動きをするため、ドローンにとっては好ましい特徴だ。機器のどこかが壊れても、そのまま穏やかに回転しながら降下し、初期設定の状態で着陸する。
シンガポール工科設計大学は、折りたたみ式シングルドライブ・モノコプターの略称であるF-SAMというモノコプターを開発した。ハードウェア面では多くの要素はないが、それこそがこの機器のデザインの魅力の一部だ。一つのドライブで方向を完全に制御でき、スロットルを上げると回転数が増して、機体が上昇する。
モノコプターの制御は、機体の回転中の特定の地点で、モーターのパルスを繰り返し与える必要があるため、難しく感じられるかもしれない。F-SAMは動作キャプチャ環境で動画を用いて正確な自律性の可能性を探っているが、その環境に限定されているわけではなく、制御に外部からの操作は必要ない。
F-SAMのコントロールパネルは特注設計で、翼には加工が必要だが、残りの部品は安価で、別々に販売されている。F-SAMの総重量はわずか69グラムで、そのうちほぼ40％をバッテリーが占め、約16分の飛行時間を実現している。
メディアのIEEE Spectrumが、モノコプターの製作者に取材し、いくつかの質問を投げかけた。研究者たちは、柔軟な翼の構造のために様々な素材や素材の組み合わせを調べた。編集者は、なぜバルサ材とプラスチックの組み合わせにしたのかを尋ねた。
「モノコプターの翼は、飛行中に操縦できるよう剛性が必要だ。私たちがテストした柔軟なプラスチックや柔軟なポリマーなど、より柔らかい素材でもモノコプターは飛ばせるが、翼が飛行中に自由に回転してしまい、モーターによる周期的な制御の効果が下がってしまう。プラスチックでラミネートしたバルサ材は、効率的な制御に十分な剛性を提供しつつ、折りたたむことも可能にする。」
研究者によると、F-SAMは屋外でも飛行できる。受動的に安定しているため、飛行にフィードバック制御は必要ない。動作キャプチャ環境により、屋内のステーションや経由地点での飛行のための絶対位置が得られる。屋外飛行では、電子コンパスが周期的な主制御のための相対的な進路を提供する。研究チームは、屋外での自律飛行のために内蔵GPSを備えたプロトタイプの開発に取り組んでいる。
「カメラを追加することもできるが（以前にも行ったことがある）、回転する性質のため、映像がぶれてしまう可能性がある。360度の視野を持つカメラは軽量・小型化が進んでおり、F-SAMや手元にある他のモノコプターに搭載してみることもできるだろう。その他の候補となるセンサーとしては、LiDARセンサーやToFセンサーがある。LiDARの場合、このプラットフォームは既に既知の速度で回転しているという利点がある。通常のLiDARシステムは、回転運動を生み出すために専用のドライブが必要だ。回転するプラットフォームとして、F-SAMはすでに自然な回転力学を備えているため、LiDARの統合が容易で、より効率的になる。」
現時点で、F-SAMはコンパクトに折りたたんでコンテナ内に収納できる。ただし、飛ばすには依然として人が広げて、手で発射するか、床に置いて離陸させる必要がある。将来的に研究者たちは、F-SAMをコンテナに入れ、折りたたんだ機体を空中に射出する仕組み（例えば圧縮ガス）を組み込むことを想定している。そうすれば、使用している弾性素材によって、すぐに展開を始めることができる。モーターは回転を開始でき、その回転による遠心力によって翼が伸びる。
研究者らは、F-SAMは良いおもちゃにはなり得るものの、通常の空撮や動画撮影が目的であれば、クアッドコプターの良い代替にはならないと考えています。しかし、GPS誘導による使い捨ての偵察任務では、有力なライバルになり得ます。飛行に使用するモーターは1基だけなので、比較的安価に製造できます。
さらに、飛行中は非常に静かで、着地後も簡単に目立たなくなります。プラットフォームには、気候モニタリングなど様々な用途向けの軽量センサーを組み込むことができます。複数のF-SAM機は空中から投下でき、降下時に自動的に回転し、特定の時間帯には飛行して、空中での気象データの収集を強化できます。
「当社にはいくつか興味深いプロジェクトがあり、その多くは「少ない投資でより多くをこなす」というテーマに関するものです。つまり、当社のプロジェクトは、できるだけ少ないモーター数で複数のタスクや飛行モードを実現することを目指しています。制御された飛行のためにモーターを1基だけ使用するF-SAMと同様に、当社は別のプロジェクトにも取り組んでいます。それは完全なオートローテーション（自動回転）型のバージョンで、Samara Autorotating Wing（SAW）と呼ばれています。」
同氏によれば、このプラットフォームは、モーター1基だけで2つの飛行モードで動作できます。遠隔地での使い捨てセンサーの設置に最適です。例えば、森林モニタリングや山火事の早期警報システム用のセンサー設置に利用できます。
センサーは樹冠に着地でき、着地後は翼が太陽光を集めるのに必要な面積を確保して、数年間にわたり継続的に稼働できます。もう一つの興味深い用途は、オートローテーション型プラットフォームを使って、上昇を終えたラジオゾンデを回収地点へ誘導することです。
研究者によると、現在、世界各地の気象観測所から多くのラジオゾンデが水素気球で打ち上げられています（オーストラリアだけで年間2万個以上）。気球が高高度に達して破裂すると、センサーは地上に落下します。回収地点へ誘導すれば、年間数百万ドルを節約できるほか、環境汚染を減らして環境保護にも役立ちます。
