En drönare som kan simma finns redan att köpa. Undervattensmodeller med 4K-kamera och sonar har sålts till sportfiskare och dykare i flera år. Det verkligt svåra är kombinationen: en och samma farkost som lyfter från marken, landar på ytan och sedan fortsätter nedåt utan att slå sönder sig själv eller sluta röra sig.
Just den kombinationen har börjat dyka upp i prototypform. En startup i Changsha visade nyligen upp en hybrid som både flyger och tar sig fram under ytan, och fyra studenter vid Aalborg Universitet byggde en liknande maskin som examensprojekt. Ingen av dem sitter på någon hemlig elektronik. Hindret är fysik, och det går att räkna på.
Vatten väger ungefär 800 gånger mer än luft
Luft har en densitet på runt 1,2 kilo per kubikmeter. Vatten ligger på cirka 1 000. En propeller som är formad för att kasta bakåt stora mängder tunn luft möter alltså ett material som är nästan tusen gånger tyngre så fort den doppas.
Resultatet blir två motsatta krav på samma konstruktion. En flygpropeller har breda blad med kraftig vinkel och snurrar fort, ofta flera tusen varv i minuten. Försöker den snurra lika fort i vatten bromsas den så hårt att motorn antingen överhettar eller stannar. En propeller byggd för vatten har istället smala blad med liten vinkel och låga varvtal, och den skulle aldrig lyfta något i luften.
Till det kommer trycket. För varje tio meter nedåt ökar omgivningstrycket med ungefär en atmosfär, vilket betyder att elektronik, motorlager och kameraglas måste tåla belastningar som en flygdrönare aldrig utsätts för. Och en flygdrönare är byggd för att vara så lätt som möjligt, medan en undervattensfarkost helst ska ha nära neutral flytkraft för att inte behöva slösa energi på att hålla sig kvar på djupet. Lätt och tät är inte samma sak.
Studenterna i Aalborg vred helt enkelt på bladen
Den danska studentgruppens lösning är elegant just för att den är enkel. Deras hybrid använder rotorblad vars vinkel går att justera i drift: brantare vinkel i luften där mediet är tunt, flackare vinkel under vattnet där varje grad kostar enormt mycket mer motstånd. Samma motorer, samma blad, två olika arbetspunkter.
Principen är samma som i en helikopter med kollektiv pitch, och den visar var utvecklingen faktiskt står. Det handlar inte om nya material eller nya batterikemier. Det handlar om att ge en befintlig komponent två driftlägen och sedan täta resten av maskinen ordentligt.
Rena undervattensdrönare är redan en mogen produktkategori
Medan hybriderna fortfarande är prototyper har renodlade simmande drönare funnits på marknaden länge. Powerray är ett typexempel: den tar sig ned till 30 meters djup, filmar i 4K och har ett sonarsystem som hittar fisk ned till omkring 70 meter. Den styrs via app, och tillverkaren säljer även VR-glasögon för att styra farkosten från förarens synvinkel, enligt en genomgång i M3.
Skillnaderna mot en luftdrönare blir tydliga när man ställer siffrorna bredvid varandra.
| Egenskap | Luftdrönare (DJI Mavic Air 2) | Undervattensdrönare (Powerray) |
|---|---|---|
| Uthållighet | 34 minuter deklarerat, cirka 30 i verkligt bruk | Timmar via kabel, begränsas av operatören |
| Räckvidd i höjd/djup | Hundratals meter uppåt | 30 meter nedåt |
| Störningskänslighet | Vind upp till 10,5 m/s | Strömmar och grumligt vatten |
| Sikt | Kilometer i klart väder | Ofta under tio meter, sonar krävs |
Det som ser ut som en svaghet hos undervattensmodellen är delvis en styrka. Den behöver inte kämpa mot gravitationen hela tiden, vilket gör att energibudgeten kan läggas på framdrivning och sensorer istället för på att hålla sig i luften.
Därför kan en simmande drönare inte prata trådlöst
Radiovågor dör i saltvatten
De frekvenser som drönare använder i luften, 2,4 och 5,8 GHz, absorberas nästan omedelbart av vatten. Saltvatten är värst eftersom det leder ström. Därför har praktiskt taget alla undervattensdrönare en kabel till en boj eller till operatören, och därför är en hybrid som ska dyka djupt tvungen att antingen släpa kabel, arbeta autonomt eller nöja sig med akustisk kommunikation med några få kilobit per sekund.
Kabelkravet förklarar mycket av designen hos dagens produkter. En maskin som ändå är fast i en lina behöver inte spara på strömmen på samma sätt, och den kan skicka upp video i full upplösning. En hybrid som just flugit ut till en position har däremot ingen kabel med sig, och då måste all bildbehandling ske ombord.
Mjuka robotfiskar stör inte livet de filmar
Propellrar bullrar. För en marinbiolog som vill observera naturligt beteende är det ett direkt mätfel, eftersom fiskstim och större djur reagerar på ljudet innan kameran ens hunnit fram. Därför har forskningen rört sig mot biomimetiska konstruktioner, alltså robotar som härmar hur djur faktiskt rör sig.
Materialvalet är centralt. Silikonbaserade polymerer gör att kroppen kan böjas som en fiskstjärt istället för att drivas av roterande delar, och en mjuk kropp skadar varken koraller eller djur vid kollision. Forskning publicerad via NCBI beskriver en helt självförsörjande mjuk robotfisk där kraftkälla, styrning och ett fluidiskt aktuatorsystem sitter inbyggda i kroppen. Roboten klarade snabba flyktrörelser med rörelsemönster som liknade riktiga fiskars.
Tystnaden är den uppenbara vinsten. Den mindre uppenbara är energi: en undulerande kropp utnyttjar vattnets hydrodynamik på ett sätt som en propeller inte gör, vilket i förlängningen betyder längre uppdrag på samma batteri.
AI som sorterar korallerna åt forskarna
Den mest konkreta nyttan just nu finns i övervakning av korallrev, och där arbetar luft och vatten redan tillsammans. I en studie publicerad på arXiv kombinerade forskare undervattensbilder från ett autonomt ytfordon med bilder från flygdrönare. Djupinlärningsmodellen kunde skilja på 31 klasser av korallmorfotyper och tillhörande livsmiljöer, med en AUC-poäng på 0,9251.
AUC är ett mått på hur väl en modell skiljer rätt från fel, där 1,0 är perfekt och 0,5 är ren gissning. Drygt 0,92 betyder alltså en klassificering som duger för praktiskt kartläggningsarbete.
Det är också där en drönare som kan simma får sitt starkaste argument. En luftdrönare kartlägger stora ytor snabbt men ser bara ned genom ytan. En undervattensfarkost ser detaljer men täcker små områden. En maskin som flyger ut till revkanten, landar, dyker, filmar och sedan lyfter igen slipper både båt och kabel.
Vad du faktiskt kan göra med det här idag
Väntar du på att kunna köpa en hybrid i butik får du ha tålamod. Prototyperna från Changsha och Aalborg visar att principen fungerar, men de säger ingenting om driftsäkerhet i saltvatten, om hur många dykcykler tätningarna klarar eller om vad en serieproducerad version skulle kosta. Historiskt tar den resan flera år, och de flesta hybridkonstruktioner blir sämre på båda uppgifterna än specialiserade maskiner är på var sin.
Behöver du bilder under ytan nu är en renodlad undervattensdrönare med kabel fortfarande det rationella valet, eftersom den ger obegränsad drifttid och full videokvalitet upp till operatören. Ska du kartlägga strandlinjer, grunda vikar eller kontrollera anläggningar ovanför vattnet gör en vanlig flygdrönare jobbet bättre och billigare. Och sitter du i forskning eller miljöövervakning är det värt att följa den mjuka robotiken närmare än hybridspåret, för det är där tystnaden och energieffektiviteten ger mätdata som ingen propeller kan leverera.
Den intressanta frågan de närmaste åren är inte om en maskin kan göra båda sakerna. Den är om någon lyckas göra den tillräckligt bra på båda för att slippa ta med sig två.