Studenti z Harvardu našli slabinu dronů, tak si vytiskli vlastní na 3D tiskárně. Hledají s ním vorvaně v oceánu

Dva studenti z Harvardu postavili dron s pevnými křídly, který má v Karibiku přesněji lokalizovat vorvaně, protože běžné kvadrokoptéry na to nestačí.

Zdroj fotografie: Matt Goisman/SEAS

Kuma McCraw a Mikaya Parente strávili měsíce hledáním odpovědi na otázku, proč dosavadní drony selhávají při sledování vorvaňů u pobřeží Dominiky. Slabina, na kterou narazili, nebyla obecná konstrukční chyba všech dronů na světě. Byl to konkrétní limit kvadrokoptér, které výzkumníci z projektu CETI dosud používali: krátká doba letu, nízká energetická efektivita a nevhodné uspořádání antén pro zachycení VHF signálů z vysílaček připevněných na velrybách. Místo úprav běžně dostupné platformy proto navrhli vlastní letoun, vyrobený z 3D tištěných dílů, pěnových panelů řezaných horkým drátem a levných karbonových výztuží. Stroj startuje vertikálně z malé výzkumné lodi, přepne do horizontálního letu na pevných křídlech a sbírá data pro triangulaci polohy vorvaňů. Projekt jim vynesl Dean’s Award za nejlepší inženýrský absolventský projekt.

Běžné drony na vorvaně nestačí

Kvadrokoptéra je ve vzduchu jako kolibřík: visí na místě skvěle, ale spotřebovává obrovské množství energie na udržení výšky. Nad otevřeným oceánem, kde výzkumníci potřebují prohledat desítky čtverečních kilometrů, je to zásadní problém. Baterie dojde dřív, než dron stihne pokrýt dostatečnou plochu.

K tomu přistupuje druhý limit: anténní konfigurace. Pro přesnou VHF triangulaci, tedy určení polohy zvířete z více měření signálu, potřebujete antény s dostatečným rozestupem. Na kompaktním těle kvadrokoptéry pro ně jednoduše není dost místa. Výsledkem je horší přesnost lokalizace a menší šance, že se výzkumná loď s vorvaněm skutečně setká. Dřívější měření v rámci systému CETI/REACT ukazovala medián chyby směrového odhadu kolem 10,5 stupně a úspěšnost setkání s velrybou na vzdálenost 500 metrů zhruba 81 procent (při použití tří robotů současně). Zlepšit obojí vyžadovalo jiný typ stroje.

Dron z tiskárny, pěny a karbonu

Říct, že si studenti „vytiskli dron na 3D tiskárně“, je zjednodušení, které ale stojí na reálném základě. Klíčové díly trupu, křídla a ocasních ploch skutečně vznikly na 3D tiskárně a z pěnových bloků řezaných horkým drátem. Karbonové pásky a trubky dodaly konstrukci tuhost. Celý vývoj probíhal v režimu rychlého prototypování: návrh, tisk, test, úprava, znovu.

Nápad se zrodil na soutěži MakeHarvard v únoru 2025. Od prvního impulsu k hotovému prototypu uplynul zhruba rok: měsíc definování problému, pět měsíců konstrukce a poslední měsíc testování včetně venkovních letů a počítačových simulací proudění. Nejtěžší částí přitom nebyl samotný tisk, ale ruční kompozitní výroba a povrchové zpracování, tedy práce, která z plastových a pěnových dílů udělá stroj schopný letu nad mořem.

Výsledkem je letoun s vertikálním startem a přistáním (VTOL), stroj, který vzlétne vertikálně z paluby malé lodi jako vrtulník a pak přepne do úsporného horizontálního letu na pevných křídlech. Přesnou výdrž v minutách Harvard veřejně neuvádí, ale konstrukce s pevným křídlem je ze své podstaty energeticky výrazně efektivnější než kvadrokoptéra. Větší rozpětí křídel navíc umožňuje rozmístit VHF antény dál od sebe, což přímo zlepšuje přesnost triangulace.

Jak se hledá vorvaň v oceánu

Vorvaně u Dominiky zkoumá mezinárodní projekt CETI, který se pomocí strojového učení a robotiky snaží porozumět jejich komunikaci: klikání, kodám, sociálním interakcím. K tomu potřebuje zvířata opakovaně najít, přiblížit se k nim a připevnit jim na tělo speciální bio-loggery, které zaznamenávají zvuk, pohyb i hloubku ponoru.

Jenže vorvaň tráví většinu času pod hladinou. GPS pod vodou nefunguje. Proto nesou zvířata malé VHF vysílače, které při vynoření vysílají krátké signály zachytitelné až na vzdálenost přibližně 11 km (6 námořních mil). Dron letí do předem vypočítaných bodů, měří sílu a směr VHF signálu a z více měření se trianguluje poloha zvířete. Sofistikovanější verze systému navíc kombinuje tato data s modely chování: předpovídá, kde a kdy se vorvaň vynoří, aby loď stihla dorazit na místo včas.

Právě tady nový dron s pevnými křídly zapadá do skládačky. Delší doba letu znamená více měřicích bodů. Větší rozestup antén znamená přesnější odhad směru. A vertikální start znamená, že nepotřebujete přistávací dráhu, stačí paluba výzkumného plavidla.

Studentský projekt, ale ne garážový výstřelek

McCraw a Parente nejsou první studenti Harvardu, kteří pro CETI stavěli specializovaný dron. Dřívější absolventský projekt řešil bezpečnější tagování vorvaňů manévrovatelnou kvadrokoptérou; jeho autor později založil startup Sidhe Solutions. Nový prototyp s pevnými křídly je pokračováním téže linie: univerzita a výzkumný program CETI systematicky využívají studentské závěrečné projekty k zaplňování konkrétních technologických mezer.

Důležité je říct, co je veřejně doložené a co zatím ne:

• Doloženo: návrh, výroba, venkovní letové testy, CFD validace, univerzitní ocenění.
• Nedoloženo: rutinní nasazení v ostrém mořském provozu, sériová výroba, přímé srovnání s profesionálními platformami s pevnými křídly.

Jde tedy o funkční výzkumný prototyp zasazený do seriózního vědeckého programu, ne o hotový komerční produkt, ale ani o pouhou školní maketu.

Je to zajímavé i za hranicemi Dominiky

Filozofie projektu CETI je otevřená: open-source hardware i software, zveřejněné výrobní postupy, kompatibilita s běžně dostupnými nástroji. Jejich bio-logger pro vorvaně má za sebou deset nasazení, 44 hodin záznamu a ponory do hloubky 967 metrů a jeho dokumentace je veřejná. Studentský dron s pevnými křídly tuto logiku rozšiřuje na leteckou platformu: když komerční řešení neodpovídá kombinaci senzoriky, výdrže a prostředí, postavte si vlastní.

V Česku drony s pevnými křídly ve výzkumu existují, třeba Mendelova univerzita v Brně disponuje platformou senseFly eBee Plus pro environmentální snímkování. Přímou obdobu radiové triangulace volně žijících zvířat z dronu se ale v tuzemsku veřejně dohledat nepodařilo. Možná i proto, že nasazení dronů nad chráněnou faunou v ČR naráží na přísná pravidla: AOPK vyžaduje předběžné posouzení a povolení kvůli riziku rušení živočichů.

Dva studenti, 3D tiskárna, pár metrů karbonu a pěny a na konci stroj, který má nad Karibským mořem hledat největší ozubené predátory planety. Není to revoluce v dronovém průmyslu. Je to přesně mířená odpověď na přesně definovaný problém, a právě proto to funguje.