Eine flexible Drohne übersteht im Labor Kollisionen mit rund 25 km/h und setzt ihren Flug anschließend fort. Das Fluggerät FlexiQuad soll Einsätze in engen, unübersichtlichen Umgebungen erleichtern, in denen starre Konstruktionen schnell an ihre Grenzen stoßen. Für selbstständige Missionen muss der Prototyp noch weiterentwickelt werden. Sein auffällig leerer Mittelpunkt verrät dabei, warum ein Zusammenstoß nicht zwangsläufig den Absturz auslöst.
Bei Kollisionsversuchen ist FlexiQuad mit bis zu rund 25 Kilometern pro Stunde gegen Hindernisse geflogen und danach in der Luft geblieben. Nach Angaben der ETH Zürich entwickelten Luca Girardi und Stefano Mintchev die Drohne und meldeten ihre Konstruktion zum Patent an. Ein elastischer Außenring trägt die Bauteile, während das Zentrum des Fluggeräts offen bleibt. Trifft der Rahmen auf ein Hindernis, kann er sich verformen und einen Teil der Aufprallenergie aufnehmen.
Girardi untersucht als Robotikingenieur, wie dünne Verbundwerkstoffe das Verhalten fliegender Maschinen verändern, und entwickelte dafür während seiner Promotion verschiedene Rahmen. Mit Gabriel Maquignaz entwickelt er inzwischen am Mobile Robotics Lab mechanisch programmierbare Flugrahmen für hindernisreiche Umgebungen. Beim hier vorgestellten Prototyp fällt ein schmales orangefarbenes Band auf, an dem die Antriebseinheiten verteilt sitzen. Solche Konstruktionen knüpfen an Vögel und Insekten an, deren Flügel unter Belastung gezielt nachgeben und dennoch die nötigen Flugkräfte übertragen. Elastische Bauteile übernehmen dabei selbst einen Teil der Reaktion auf einen Kontakt, bevor ein Rechner einen neuen Steuerbefehl berechnet.
Entlang des Rings sitzen vier Einheiten aus Motor, Propeller und Energiespeicher, wodurch die schweren Akkus nahe an den tragenden Rotoren bleiben. Bei einem zentral aufgehängten Akku müsste der weiche Rahmen dessen Gewicht über größere Abstände aufnehmen und würde stärker durchgebogen. Das verwendete Glasfaserband lässt sich seitlich gut zusammendrücken, setzt Kräften in Richtung des Rotorschubs aber mehr Widerstand entgegen. Im Preprint zu FlexiQuad beschreiben die Autoren einen 405 Gramm schweren Versuchsträger mit Fluggeschwindigkeiten über 80 Kilometern pro Stunde.
Ein kleiner Antrieb spannt einen Seilzug und verengt den Ring für enge Öffnungen, während die Rotoren weiterarbeiten. Im Versuch durchflog FlexiQuad einen Spalt, der nur 70 Prozent der normalen Breite des Fluggeräts maß. Beim Verengen rücken die Propeller zusammen und beeinflussen sich aerodynamisch stärker, wodurch der Schub weniger effizient erzeugt wird. Die Seilführung legt deshalb fest, wie weit die Rotoren gegeneinander versetzt werden und welche schmale Form entsteht.
Bei einem anderen Entwurf aus derselben Entwicklungsreihe erprobten die Forscher ein Gitter aus dünnen Verbundlaminaten, das mehrere stabile Formen einnehmen kann. Dort hielt ein 130 Gramm schwerer Prototyp seine offene und seine zusammengefaltete Gestalt jeweils von selbst, statt sie ständig nachregeln zu müssen. Seine Spannweite ließ sich um 48 Prozent verringern, wobei beide Konfigurationen für stabile Flüge geeignet waren. Den Wechsel zwischen den Formen bewirkten pneumatische Elemente am Boden, versorgt über einen Druckluftschlauch. Wie viel Energie das Umschnappen benötigt und wie fest jede Form einrastet, lässt sich über die Geometrie des Gitters beeinflussen.
Nach einem Stoß muss die Steuerung schnell erkennen, wie sich das Fluggerät tatsächlich bewegt, um passende Befehle an die Motoren zu schicken. Die Dokumentation der Autopilotsoftware PX4 beschreibt dafür einen Navigationsfilter, der verschiedene Sensordaten zu Schätzungen von Lage, Geschwindigkeit und Position zusammenführt. Dabei prüft das Programm fortlaufend, ob neue Messungen zu dem Bewegungszustand passen, den es aus bisherigen Daten erwartet. Weicht ein Wert zu stark davon ab, kann der Filter ihn verwerfen. Bei heftigen Erschütterungen können außerdem Vibrationen die Auswertung der Bewegungssensoren stören und damit die berechnete Fluglage oder Höhe verfälschen.
Gerät diese innere Rechnung durcheinander, helfen äußerlich unbeschädigte Motoren und ein intakter Rahmen allein noch nicht bei der kontrollierten Rückkehr. Eine Kamera oder ein externes Ortungssystem kann zwar aktuelle Informationen liefern, doch die Flugsoftware muss sie auch richtig einordnen. Wie anspruchsvoll das Zusammenspiel von Beobachtung und Flugführung wird, zeigt etwa die autonome Landung einer Drohne auf einem schaukelnden Schiff. Dort verändert sich die Zielfläche während des Anflugs; beim Zusammenstoß ändert sich die Bewegung des Fluggeräts abrupt.
Jakob Hermeler und seine Kollegen entwickelten deshalb den Erholungsmodus REFLEX, der nach einer Kollision vorübergehend die Steuerung übernimmt und auf dem Flugcontroller läuft. Das Team trainierte ihn in Simulationen, deren Ausgangszustände aus den Messdaten von 47 tatsächlichen Zusammenstößen stammten. Bei Versuchen mit etwa 18 Kilometern pro Stunde fing sich das Fluggerät mit der neuen Software in 19 von 22 Fällen. Der vergleichbare Standardautopilot schaffte dies bei ähnlicher Aufprallgeschwindigkeit und ansonsten vergleichbaren Bedingungen einmal in 14 Versuchen. Untersucht wurde ein angepasstes Modell vor einer starren Holzwand; der Bericht liegt als noch nicht fachbegutachteter Preprint vor.
Zur Versuchsanlage gehörte ein externes System zur Bewegungserfassung, dessen Daten den Wechsel in den Sondermodus und die Rückkehr zur normalen Flugregelung unterstützten. Die eigentliche Stabilisierung arbeitete mit Informationen aus der Drohne, während die Schätzung ihrer Bewegung neu aufgesetzt wurde. Die Versuche betrafen überwiegend frontale Kontakte auf einer einzelnen Plattform. Andere Oberflächen, schräge Einschläge und das selbstständige Auslösen des Modus ausschließlich mit Sensoren an Bord müssen noch untersucht werden.
Beim Transporttest umfasste der nachgiebige Rahmen ein weiches Erste-Hilfe-Paket, trug es durch die Luft und setzte es anschließend wieder ab. Das Team hob außerdem eine Last an, die schwerer als das Fluggerät selbst war. Als mögliche Einsatzorte nennt es unter anderem Ballasttanks auf Schiffen, dichte Wälder und Bereiche eingestürzter Gebäude. Die Rahmenmaterialien kosten weniger als 15 Schweizer Franken; Motoren, Akkus und Elektronik kommen hinzu. Nach dem Öffnen des Rings lassen sich seine flachen Elemente für den Transport platzsparend in einem Koffer verstauen.
Nachgiebige Kontakte interessieren Robotiker auch beim Umgang mit empfindlichen Gegenständen, weil sich Kräfte über eine passende Form und weiche Materialien verteilen lassen. Ein anschauliches Beispiel ist ein weicher Roboter, der rohes Eigelb greift, ohne dessen dünne Hülle im Versuch zu zerstören. Bei einem fliegenden Greifer verschiebt eine Ladung zusätzlich das Gewicht und beeinflusst die Kräfte, die seine Antriebe aufbringen müssen. Aus einem erfolgreichen Transportversuch folgt deshalb noch keine allgemeine Aussage darüber, welche Gegenstände bei Wind oder längeren Flügen sicher befördert werden können.
Im europäischen Projekt SPEAR arbeiten Forscher daran, die Form von Flugrobotern und deren Steuerungsstrategien zusammen zu entwickeln. Die Universität Paderborn nennt dafür evolutionäre Suchverfahren und verstärkendes Lernen, bei denen Entwürfe und Flugverhalten schrittweise verbessert werden sollen. Zu den Aufgaben gehört die Navigation in schwierigen Umgebungen ohne Satellitensignale, also gerade dort, wo ein Fluggerät nur begrenzte Orientierungshilfen erhält. Das Programm untersucht neben Rotoren auch schlagende Flügel sowie Verbindungen aus starren und weichen Bauteilen. Welche Bauform sich eignet, hängt damit von der konkreten Flugaufgabe und den verfügbaren Messdaten ab.
Für FlexiQuad steht inzwischen auch eine Entscheidung außerhalb des Fluglabors an: Die Erfindung zählt zu den fünf Finalisten des Spark Award. Die ETH Zürich gibt den Gewinner am 26. November 2026 im Zürcher Kongresshaus bekannt. Bewertet werden Originalität, Stärke des Patents und Marktpotenzial von Entwicklungen, für die im vorangegangenen Jahr ein Patent angemeldet wurde.
ETH Zürich, New flexible drone can withstand collisions
arXiv, Bioinspired Soft Quadrotors Jointly Unlock Agility, Squeezability, and Collision Resilience; doi:10.48550/arXiv.2511.05426
arXiv, REFLEX: A Learned On-Board Reflex for Robust Autonomous Collision Recovery of Soft Quadrotors; doi:10.48550/arXiv.2610.15867
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