Дизайн гражданских беспилотников: между инженерией и неопределенностью

Продолжаем разговор о промышленном дизайне, который начали в предыдущей публикации, поговорив про эстетику и как дизайнерам удается создавать вещи, которые нам нравятся. Разговор в этот раз будет более предметным и пойдет о гражданских беспилотниках, дизайн которых — это не столько про их внешность, сколь про поиск формы, пригодной для производства и не вступающей в противоречия с фундаментальными ограничениями. Ее стандарты для беспилотных автономных систем (БАС) еще не «забронзовели», и у промдизайнеров есть пространство для полета мысли и творчества. Но есть масса критически важных нюансов, о них и поговорим.

Вызов в том, что нет (пока) канонов

Чтобы обозначить контуры вызова в промдизайне современных дронов обратимся к мнению эксперта. Николай Любавин — начальник отдела промдизайна в компании «ЮВЛ Роботикс» и руководитель образовательной программы «Транспортный и промышленный дизайн» в РУТ МИИТ. На лекции Университета 2035 он раскрыл тему природы беспилотника как продукта.

Прежде всего, у этого класса промышленных изделий до сих пор нет канонической компоновки. У автомобиля, например, она есть: двигатель, кузов, колеса — эта архитектура авто закрепилась еще в первой половине XX века, и с тех пор ее конфигурацию можно лишь уточнять. У дронов такой точки устойчивости до сих пор не сформировано, — сказал Николай Любавин.

Оговоримся, что речь не идет об уже ставших массовыми потребительских товарах, с простыми сценариями использования вроде съемки селфи с воздуха. Каждый новый аппарат для более сложных задач упирается в то, что это часто не развитие стандарта, а попытка его сформировать с нуля. Промышленный дизайнер в каждом новом сегменте работает не с готовым стандартом, а с творческой неопределенностью. «Любая линия, любой корпус — это гипотеза, а не окончательное решение. Именно на этом этапе возникает главное противоречие индустрии: между тем, как дрон выглядит, и тем, как он может существовать в реальности», — сказал руководитель отдела промдизайна в «ЮВЛ Роботикс».

Коль скоро эксперт упомянул канон в автомобилестроении, давайте обратимся к истории его появления и попытаемся найти параллели с текущей ситуацией в БАС. Человеком, который первым создал классический дизайн массового автомобиля, является пионер конвейерной сборки Генри Форд. «Автомобиль может быть любого цвета, если он черный» — эта знаменитая фраза Форда ясно демонстрирует его базовый подход к промдизайну. Самая популярная в мире первой половины прошлого века марка Ford Model T (всего было продано более 16 миллионов этих авто) выпускалась преимущественно в черном цвете. 

Выбор был продиктован сугубо практическими соображениями: черная краска сохла быстрее, стоила недорого, а авто выглядело стильно. К тому же простота в покраске позволяла ускорить конвейерную сборку, что делало автомобиль максимально доступным по цене. Таким образом, для Форда функциональность стояла на первом месте — и ему удалось сделать автомобиль не предметом роскоши, а утилитарным инструментом для передвижения населения.

Когда проекты превращаются в прожекты

На этом историческом фоне можно констатировать, что некоторые концепты специализированных дронов, которые появляются на различных международных промдизайнерских платформах, — примеры ярких, но проблематичных решений. 

Например, проекты с так называемыми «безосевыми» роторами — гладкие, почти цельные объекты, больше похожие на артефакты из научной фантастики. Они собирают тысячи лайков, но за пределами яркого визуального впечатления возникает простой вопрос: а это будет стабильно летать? 

Распространенная ситуация для индустрии: чем выразительнее дизайн, тем выше вероятность, что он не реализуем в производстве.

Среди схожих по дерзости идеи проектов можно выделить еще несколько показательных кейсов. Например, Fleye — «летающее глазное яблоко». Сферический дрон с закрытыми лопастями, который можно трогать руками. Он собрал около 145 тысяч евро на краудфандинговой платформе Kickstarter. Идея — безопасная съемка — выглядела логично. Однако, если такой дрон размером с футбольный мяч и весом в полкило упадет на голову или, как при игре в беспечный дворовый футбол, влетит соседям в окно, — согласитесь, мало не покажется.

Вот еще пример, Nixie — летающий браслет, победивший в конкурсе Intel Make it Wearable и собравший около полумиллиона долларов. Концепция — носимая камера, превращающаяся в дрон для съемки селфи. Вес — около 200 грамм, габариты в разложенном виде — примерно формат листа А4. Суть идеи в том, чтобы всегда иметь под рукой, вернее на руке, переносную летающую фотовидеокамеру для селфи, которая еще и выглядит как прикольный браслет. 

Показателен и пример дрона-летучей мыши от Caltech. Инженеры попытались воспроизвести биомеханику полета. Прототип с размахом крыльев около полуметра создали, но дальше эксперимент не пошел. Эти и подобные проекты активно обсуждались и выглядели перспективно, но не состоялись как продукт для серийного промышленного производства.

Другой кейс — PerchHug (дословно можно перевести как «объятие на насесте») — разработка команды инженеров и робототехников из Швейцарского федерального технологического института, EPFL. Их дрон способен приземляться на вертикальные поверхности, заимствуя поведение хищных птиц. Это попытка справиться с объективными ограничениями — большинство летающих машин способны приземляться только на ровные горизонтальные поверхности.

Но инженеры создали дрон, способный приземляться на стволы деревьев, как некоторые виды сов. Птицы вцепляются в кору когтями, опираются на хвост, а еще как бы обнимают дерево крыльями с двух сторон. Вопрос все тот же: «Ок, вы это сделали, а зачем такой сложный в производстве беспилотник бизнесу, как его окупить?»

Столь оригинальные конструкции в БАС стали возможны благодаря развитию аддитивных технологий. 3D-печать позволила создавать сложные корпуса и быстро прототипировать необычные идеи. В результате появились сотни похожих проектов: дроны в виде ракет, птиц, летучих мышей — буквально любые формы, которые только можно придумать. С другой стороны, аддитивные технологии позволили довольно быстро проверять гипотезы в полете. 

Материалы, аэродинамика, производство и другие ограничения

Как только мы уходим из мира концептов в реальную разработку, разговор о перспективах летающего беспилотника резко меняется. На инженерных форумах сегодня обсуждают не форму, а выживаемость конструкции. Там говорят о том, как распределить удар при падении, как снизить вес, какие элементы первыми выйдут из строя. Каждая итерация — это баланс тяги, прочности и аэродинамики. И он достигается путем компромисса, а не через гениальное решение. 

И первое ограничение, с которым надо найти общий язык, — набор доступных материалов. Он остается довольно узким. Большинство дронов сегодня строится на трех базовых компонентах: карбоне, алюминии и пластике. Карбон стал самым распространенным — он легкий, прочный и позволяет создавать сложные многослойные конструкции. Алюминий дешевле, но ограничивает геометрию. Пластиковое литьё дает максимум свободы формы, но только при больших тиражах — от тысячи единиц и выше. 

В результате исходный материал начинает диктовать дизайн. Существуют и альтернативные подходы — вакуумная формовка, стеклотекстолит, литые силиконы. Именно здесь появляются более смелые решения, но они редко доходят до массового производства: либо не хватает прочности, либо слишком сложно масштабировать.

Производство. У производственников есть фиксированный набор технологических процессов, и большинство дронов они создают по схожим принципам. Даже если дизайнер предлагает новую форму, она должна вписаться в существующие промышленные процессы. Если не вписывается — ее просто не будет на конвейере, как ни проси, логика технологических карт воздвигает непроходимые барьеры.

Но все же уже есть и канонические модели

Рассказ был бы неполным, если бы мы не предоставили альтернативную точку зрения. Промдизайнер Родион Усаев не согласен с тем, что дизайн дронов — это сплошь территория эксперимента и гипотез. Он отметил, что БПЛА это не один вид продуктов, а обширная категория, внутри которой инженеры решают разные задачи и для каждой создают свои дроны. И внутри ряда конкретных задач или сегментов рынка каноны уже окончательно сложились.

Потребительский квадрокоптер с камерой узнается мгновенно: складные лучи, компактный корпус, камера на подвесе снизу. Гоночный FPV-дрон — это открытая X-образная рама, минимум всего лишнего. Сельскохозяйственный гексакоптер с баком для опрыскивания выглядит одинаково у всех производителей. БПЛА самолетного типа всегда имеют крылья и схожий силуэт, — сказал Усаев.

А дроны с принципиально новой конструкцией, по мнению этого эксперта, либо решают новые задачи, либо являются попыткой решить знакомые задачи лучше, чем сейчас. «Так что «классического дизайна дрона» не будет. Зато в каждой категории он либо уже есть, либо в процессе формирования», — убежден Родион Усаев. По его словам, там, где задача понятна и конструкция ясна, а рынок заполнен аналогами, встают другие вопросы. Не какой должна быть конструкция или какой новый дрон придумать. А как выделиться на рынке, сделать дрон удобнее и вызывать доверие к нему. Ответы на эти вопросы лежат в плоскости маркетинга, восприятия и взаимодействия. И здесь тоже многое зависит от промышленных дизайнеров.

Когда размер имеет значение

Олег Понфилёнок, основатель компании Copter Express, который предпочитает сегодня называть себя пророком технорелигии энтропианства, также прокомментировал вопрос о канонах в дизайне беспилотных летательных аппаратов. Компания стала известной еще в 2010-х тем, что она первой в России осуществляла доставку почты дронами (совместный проект с «Почтой России»), а также доставку пиццы (совместный проект с «Додо Пиццей»).

«Возьмем такой аспект дизайна, как количество моторов. Факт в том, что с большим отрывом в сегменте небольших аппаратов лидируют квадрокоптеры. Причем четыре пропеллера — это ведь не минимум: существуют БАС и с двумя, и с тремя. Но именно четыре — оптимальное количество. Квадро — это простая схема при относительно высокой энергоэффективности», — сказал Олег Понфилёнок. По его словам, если увеличить количество пропеллеров, уменьшится диаметр каждого из них и, соответственно, эффективность. Вообще, уверен он, чем больше пропеллеров, тем выше надежность в полете. Именно поэтому многие тяжелые аппараты, например применяемые для перевозки людей, представляют собой октокоптеры — у них по восемь пропеллеров, а у некоторых и шестнадцать. Но при этом возникает ограничение по мощности каждого мотора, и в итоге проще поставить много небольших двигателей.

Понфилёнок также обратил внимание на электронику: везде есть GPS, батарея (одна или две для более мощных аппаратов), везде используют полетный контроллер, силовую схему, цифровое управление. У маленьких дронов все интегрировано на одной плате — это дешевле и проще. В больших аппаратах применяется узловая архитектура с соединениями между отдельными модулями. При этом стандартом постепенно становится оптическая навигация: оптический поток, либо распознавание по трехмерной карте. Лидары (круговые лазерные дальномеры) или видеокамеры компьютерного зрения — в навигационной технологии существуют две конкурирующие школы, как и в автономных автомобилях. Таким образом, сложились два базовых стандарта, а возможное развитие — в их комбинации на каждом конкретном аппарате, в зависимости от его предназначения. И в целом, по мнению Понфилёнка, по размерности и базовым схемам все более-менее решено, но остаются недоработанные концепты, связанные с определенными нишами в гражданских беспилотниках.

«Если мы говорим о промышленном дизайне дронов для доставки еды или аэротакси, то эти направления пока массово не развиты, и в данных сегментах идет активная стадия конкуренции различных решений», — сказал Олег Понфилёнок.