Echte Transformer? Ingenieure bauen Bots, die sich in der Luft verwandeln

Die Welt der Robotik entwickelt sich rasant. Von Arbeiterrobotern bis hin zu humanoiden Robotern, die geschickter sind und komplexe Bewegungen ausführen können, betreten wir ein neues Zeitalter der Robotik. 

Nur im letzten Monat haben Forscher interaktive Roboter erstellt, die wie Therapiepferde agieren, auf menschliche Emotionen reagieren; ein weicher, aber intelligenter Roboter der Objekte bewegt und greift, indem er seine Umgebung wahrnimmt, ähnlich einem Oktopus; und ein robotischer Hund, der Säugetiere nachahmt und sowohl an Land als auch im Wasser überlegene Mobilität bietet.

Ingenieure haben sogar ein selbstheilendes Muskel für Roboter erfunden, das Verletzungen erkennen, heilen und dann zurücksetzen kann, um zukünftige Schäden zu erkennen. Die Fähigkeit, Roboter aus der Ferne zu steuern, während man die Interaktion an den Fingerspitzen spürt, wurde ebenfalls eingeführt.

Mit all dem hat ein Team von Ingenieuren nun einen echten Transformer entwickelt, der seine Form in der Luft ändern kann. Diese Transformation in der Luft ermöglicht es dem Roboter, mühelos wegzurollen und dann seine Operationen am Boden ohne Unterbrechung zu starten. 

Mit dieser Fähigkeit haben Caltech-Ingenieure die Herausforderung gemeistert, spezialisierte Roboter zu entwickeln, die sowohl fahren als auch fliegen können, ohne in unebenem Gelände stecken zu bleiben. Die erhöhte Flexibilität dieser Roboter kann besonders für robotische Entdecker und Lieferungen von Nutzen sein.

Warum Boden- und Luftroboter in realen Umgebungen Schwierigkeiten haben

Effektive Boden-Luft-Bewegung ist für ein breites Spektrum robotischer Anwendungen entscheidend; jedoch sind weder Boden- noch Luftroboter bislang in der Lage, zuverlässig in der realen Welt zu operieren. 

Während Bodenroboter durch ihre Einsatzreichweite begrenzt sind, was es ihnen unmöglich macht, hohe Hindernisse zu überwinden oder Inspektionsaufgaben durchzuführen, haben Luftroboter das Problem einer begrenzten Batterieleistung aufgrund von Nutzlastanforderungen und Sicherheitsbedenken beim Fliegen in städtischen Umgebungen.

Diese Herausforderungen, denen heutige autonome Systeme gegenüberstehen, können durch die Kombination von Luft- und Erdfähigkeiten überwunden werden. Daher konzentriert sich das Caltech-Team von Ingenieuren auf die Entwicklung von Boden-Luft-Robotern.

Die Konstruktionen vieler solcher Roboter beruhen häufig auf dem Prinzip der Redundanz und dem Einsatz mehrerer Aktuatoren, um ihre bimodalen Bewegungsanforderungen zu erfüllen.

Diese redundanten Roboterdesigns führen jedoch oft zu einem Einsatz von mehr Aktuatoren und Komponenten als nötig, was zu erhöhtem Gewicht und Kosten führt.

Hier können Morphobots oder Roboter, die dieselben Anhängsel für verschiedene Aufgaben durch Formwechsel wiederverwenden, unterschiedliche Fortbewegungsmodi erzeugen und gleichzeitig die Systemkomplexität und das Gewicht reduzieren.

Diese Art von Roboterdesigns lässt sich häufig von den multifunktionalen Fortbewegungsweisen von Tieren inspirieren und soll die Leistungsfähigkeit mobiler autonomer Roboter, die sich wechselnden, unstrukturierten Umgebungen stellen müssen, steigern.

Zum Beispiel präsentierte eine Studie von Forschern der Colorado State University vor ein paar Jahren präsentierte¹ ein eingebettetes Form‑Morph‑Schema für morphologisch adaptive Robotersysteme.

Die Forscher entwickelten drei Roboter, die ihre Beine und Körper nach Bedarf verändern können, um schwieriges Terrain zu bewältigen. Diese Systeme wurden entwickelt, um die Art und Weise nachzuahmen, wie biologische Organismen, wie Frösche, ihre Form je nach Umgebung und Lebenszyklus anpassen. Für die Entwicklung dieser Roboter nutzten die Forscher Materialien, die bei Temperaturänderungen weich oder fest werden und sich ohne sperrige Energiesysteme bewegen können.

Das eingebettete Morphingschema nutzte einen leichten künstlichen Muskel, ähnlich dem menschlichen, der sich bei Stromzufuhr zusammenzieht, wodurch die Forscher eine Vielzahl von Formtypen erreichen konnten und die Roboter vielseitiger und besser für die Navigation in schwierigen Umgebungen ausgestattet wurden. 

Aktuelle Forschungen haben multifunktionale Anhängsel und Körperformänderungen genutzt, um die Bewegung zu verbessern und Manöver zu ermöglichen, die zuvor nicht möglich waren. Aber eine Fähigkeit von Morphobots, die noch nicht so intensiv untersucht wurde, ist ihr Formwechsel in der Luft, um sowohl die Boden- als auch die Luftbewegung zu verbessern.

Dies kann Morphobots die Fähigkeit verleihen, während der Transformation auf die Interaktion mit einem Bodenfahrzeug zu verzichten. 

Der Formwechsel in der Luft kann einen zuverlässigen Weg zu Verhaltensagilität und Missionssicherheit bieten, wenn eine Bodenverformung aufgrund von unebenem Terrain, das die Bodenbewegung der Anhängsel des Roboters blockiert, nicht möglich ist.

Daher präsentierten die Caltech-Ingenieure ihre Studie, die ein Luftübergangsmanöver visualisiert, das Fliegen und Fahren verbindet.

Dieses Manöver wird als dynamische Radlandung bezeichnet, bei dem das Ziel ist, einen reibungslosen Übergang vom Fliegen zum Fahren zu erreichen, indem in Bodennähe transformiert und auf dualen Rad‑Antrieb‑Anhänseln gelandet wird, die so nah wie möglich an einer Fahrkonfiguration sind, also den größtmöglichen Neigungswinkel, während die gewünschte Aufprallgeschwindigkeit erreicht wird. 

Im Gegensatz zu herkömmlichen Quadrotor‑Landemanövern, bei denen der Roboter in der Regel durch einen vertikalen, nicht transformierenden Abstieg landet, beinhaltet das in der Studie vorgestellte Manöver ein Morph‑Transition, das bedeutet, zwischen zwei Modi durch eine bodennahe Verformung zu wechseln.

Aber die Realisierung dieses Manövers ist keine leichte Aufgabe; vielmehr stellt es aus Design‑, Modellierungs‑ und Steuerungsperspektive eine Herausforderung dar. 

Das Manöver erfordert nicht nur ein erhöhtes Drehmoment, um die Schubkräfte beständig zu bewältigen, sondern führt auch zu neuen dynamischen Kopplungen zwischen Aktuatorgrenzen und den Freiheitsgraden des Roboters. Autonome, bodennahe Luftoperationen sind bereits ein bekanntes schwieriges Problem aufgrund der Effekte der Bodenaerodynamik. Darüber hinaus sind die Aerodynamik des morphenden Flugs und der bodennahen Transformation weitgehend unbekannt. 

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Caltech-Forscher den Aerially Transforming Morphobot (ATMO) speziell entwickelt, um das Problem der Transformation in der Luft zu lösen.

Im Inneren von ATMO: Der realweltliche Transformer‑Roboter erklärt

Veröffentlicht in der Zeitschrift Communications Engineering, die Studie, unterstützt durch die Finanzierung des Center for Autonomous Systems and Technologies an der Caltech, adressiert die Herausforderung der Lufttransformation für Morphobots durch die Entwicklung eines fliegenden‑fahrenden Roboters namens ATMO.

Dieser Roboter ist speziell für die Transformation in der Luft durch einen Morph‑Mechanismus ausgelegt, der es ermöglicht, die Körperform während des Fluges zu ändern, wobei nur minimaler Antrieb erforderlich ist.

Er verwendet vier Schubdüsen zum Fliegen, während die Abschirmungen, die die Schubdüsen schützen, zu den Rädern des Systems in einer alternativen Fahrkonfiguration werden. Die gesamte Transformation beruht auf einem einzigen Motor, der ein zentrales Gelenk bewegt und die Schubdüsen nach oben in den Drohnenmodus oder nach unten in den Fahrmodus schiebt.

Das neue robotische System ist von der Natur inspiriert, wobei der Hauptautor Ioannis Mandralis, ein Doktorand im Bereich Luft‑ und Raumfahrt an der Caltech, veranschaulicht, wie Vögel fliegen und ihre Körpermorphologie anpassen, um sich zu verlangsamen und Hindernissen auszuweichen. 

„Die Fähigkeit, sich in der Luft zu transformieren, eröffnet zahlreiche Möglichkeiten für verbesserte Autonomie und Robustheit.“

– Mandralis

Und obwohl es einfach erscheint, einen Vogel landen und laufen zu sehen, ist es das nicht.

„In Wirklichkeit ist dies ein Problem, mit dem die Luft‑ und Raumfahrtindustrie seit wahrscheinlich mehr als 50 Jahren zu kämpfen hat“, sagte Mory Gharib, der Hans W. Liepmann Professor für Luftfahrt‑ und Medizintechnik sowie Direktor und Booth‑Kresa Leadership Chair des Caltech Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), wo Forscher zusammenarbeiten, um die Drohnenforschung, autonome Erkundung und bio‑inspirierte Systeme voranzutreiben.

Alle Fluggeräte müssen sich mit komplizierten Kräften in Bodennähe auseinandersetzen.

Im Fall von Hubschraubern, wenn sie zur Landung ansetzen, drücken ihre Schubdüsen viel Luft nach unten. Hier werden Auftrieb und Schub durch die rotierenden Rotoren erzeugt. Wenn der Luftstrom den Boden trifft, zirkuliert ein Teil davon wieder nach oben. Wenn der Hubschrauber also zu schnell sinkt, kann er in diesen Luftwirbel gesogen werden und seinen Auftrieb verlieren.

Bei ATMO wird es noch komplizierter, da er mit Kräften in Bodennähe umgehen muss, während er vier Düsen hat, die kontinuierlich den Winkel zueinander verändern. Das erzeugt mehr Turbulenz und damit Instabilität.

Um ein besseres Verständnis der aerodynamischen Kräfte zu erhalten, führten die Ingenieure Experimente im Drohnenlabor von CAST durch.

Um zu untersuchen, wie die Veränderung der Roboterkonfiguration während der Landung die Schubkraft beeinflusst, führte das Team Belastungszellversuche durch, bei denen die auf ein Objekt wirkende Kraft mit einer Belastungszelle gemessen wird, einem Gerät, das mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umwandelt.

Die Forscher führten außerdem Rauchvisualisierungsversuche durch, um Luftstrommuster sichtbar zu machen und die zugrunde liegende Situation zu entdecken, die zu diesen dynamischen Änderungen führt.

Nachdem die Erkenntnisse gesammelt waren, wurden sie in den Algorithmus des neuen Steuerungssystems eingespeist, das die Forscher für ATOM entwickelt haben.

Dieses System nutzt eine fortschrittliche Regelungstechnik namens modellprädiktive Regelung, die kontinuierlich das zukünftige Verhalten des Systems vorhersagt und dann seine Aktionen anpasst, um auf Kurs zu bleiben.

According to Mandralis:

„Der Regelungsalgorithmus ist die größte Innovation in diesem Papier. Quadrotoren verwenden spezielle Regler wegen der Anordnung ihrer Schubdüsen und ihrer Flugweise. Hier führen wir ein dynamisches System ein, das bisher nicht untersucht wurde. Sobald der Roboter mit dem Morphing beginnt, entstehen verschiedene dynamische Kopplungen – unterschiedliche Kräfte, die miteinander interagieren. Und das Regelungssystem muss in der Lage sein, schnell auf all das zu reagieren.“

Test von ATMO: Wie Ingenieure die Transformation in der Luft validierten

Der ATMO der Caltech-Ingenieure hat sowohl das Fahren als auch das Fliegen mittels der dualen Anhängsel durch Formwechsel erreicht. Was ATMO jedoch von anderen solchen Robotern unterscheidet, ist der „selbstverriegelnde Neigungsaktor‑Mechanismus“, der eine Transformation in der Luft mit einem einfacheren Design, geringeren Kosten und minimalen Antriebsanforderungen ermöglicht.

Im Flugmodus ist der Roboter als Standard‑Quadcopter konfiguriert und nutzt seine Rad‑Schubdüsen‑Anhänge für den Antrieb. Im Fahrmodus werden dieselben Anhänge für die Radlokomotion wiederverwendet. 

Der daraus resultierende kompakte Roboter hat ein Gesamtgewicht von 5,5 kg, einschließlich der Batterie. Hinsichtlich seiner Abmessungen ist der Roboter in Bodenkonfiguration 33 cm hoch und 30 cm breit und in Luftkonfiguration 16 cm hoch und 65 cm breit.

Zum Fahren verwendet ATMO zwei Riemen‑Rollen‑Systeme an beiden Seiten, die von Antriebsmotoren betrieben werden und ein Differential‑Lenksystem ermöglichen.

Zusätzlich zu einem an Bord befindlichen Computer, der einen benutzerdefinierten Controller ausführt, ist der Roboter mit Bord‑Sensoren für Zustandsabschätzung und -fusion ausgestattet. Die gesamte Kommunikation erfolgt über die fortschrittliche Software ROS2. 

Um das System zu validieren, wurde der Controller für eine dynamische Radlandung im CAST‑Flugbereich mithilfe eines Motion‑Capture‑Systems zur Zustandsabschätzung eingesetzt.

In diesem Experiment wurde der Controller verwendet, um eine Referenztrajektorie im Raum zu verfolgen, die einen Abstieg mit etwas Vorwärtsbewegung beinhaltete, während die Rad‑Schubdüsen gekippt wurden, auf den Rädern landeten und anschließend vorwärts fuhren.

Das modellbasierte Regelungsschema wurde entwickelt, um das gesamte Betriebspaket aus Fliegen, Fahren und Übergang abzudecken. Um das Problem der Aktuator‑Sättigung zu adressieren, das auftritt, wenn der Roboter seine Schubdüsen kippt, um auf den Rädern zu landen, nutzte das Team „eine Zerlegung der Steuerungsziel‑Funktion in eine konvexe Kombination spezialisierter Ziel‑Funktionen für jeden Fortbewegungsmodus“.

Dies bot ein flexibles Rahmenwerk zur Steuerung der Systeme während des Übergangs vom Boden in die Luft.

Der entwickelte Controller ermöglichte Landungen mit Neigungswinkeln, die die Aktuator‑Sättigungsgrenzen überschreiten. Dies erlaubt dem neuen Roboter, unebenes Terrain zu überwinden. 

Mit einem endgültigen Neigungswinkel von 65° beim Landen zeigte der Roboter, dass er erfolgreich bei einem Neigungswinkel landen kann, der den kritischen Winkel überschreitet. Dies, so die Studie, wird durch die Änderung der Kostenfunktion während der Übergangsphase erreicht, sodass ATMO seine Rad‑Schubdüsen weiterhin kippen kann, während die gewünschte Haltung beibehalten wird.

Um die Regelungsmethode zu validieren, führte das Team einen Fahr‑Start durch, dem eine dynamische Radlandung folgte.

Sie zeigten zudem einen wichtigen Anwendungsfall der Transformation in der Luft, ein inverses Manöver, das einen schnellen Aufstieg zusammen mit einer Vorwärtsfahrt beinhaltet, zusätzlich zur Landung auf einer Steigung.

Im Experiment konnte ATMO sanft auf einer bekannten Höhe und Position einer Steigung landen, die aufgrund des Kippgefahren riskant sein kann, und dies kann vermieden werden, indem vor der Landung transformiert wird und das Fahren fortgesetzt wird. 

Insgesamt zeigt die experimentelle Validierung der Funktionsweise und Machbarkeit dieser Roboter, dass „die Nutzung von robotischer Transformation in der Luft zu dynamischen Boden‑Luft‑Übergangsmanövern führen kann, die die Agilität des Roboters erhöhen und den Einsatzbereich erweitern – und damit den Weg für größere Autonomie in zukünftigen mobilen Robotermissionen ebnen“, so die Studie.

Obwohl das Team erfolgreich dynamische Übergangsmanöver demonstriert hat, waren die Bedingungen hier kontrolliert, um eine schnelle Entwicklung zu ermöglichen. Beispielsweise wurde ein Motion‑Capture‑Kamerasystem verwendet, um die Position und Orientierung des robotischen Systems genau und schnell zu schätzen, was über das hinausgeht, was mit vorhandenen Bord‑Sensoren erreicht werden kann.

Daher ist weitere Forschung nötig, um zu bestimmen, wie diese Manöver in der realen Welt funktionieren, wo Roboter komplexeres, unstrukturiertes Terrain bewältigen und Entscheidungen basierend auf unvollständigen Sensordaten treffen müssen, die Rauschen unterliegen.

Investitionen in Robotik: Warum Amazon (AMZN) herausragt

Wenn es um einen prominenten Namen in der Robotikbranche geht, hat der E‑Commerce‑Riese Amazon (AMZN ) hier viele Fortschritte erzielt. Um die Robotik zu führen, erwarb Amazon zunächst 2012 Kiva Systems für 775 Millionen $, das später in Amazon Robotics LLC umbenannt wurde. Das Unternehmen stellte dann 2022 seinen ersten autonomen mobilen Roboter (AMR) namens Proteus vor.

Amazon (AMZN ) 

Stand Mai 2025 berichtet Amazon, dass mehr als 750.000 Roboter in seinen Abläufen eingesetzt werden, die Pakete sortieren, heben und transportieren. 

„Jahre der Innovation haben es uns ermöglicht, diese einzigartige, hochintegrierte Suite von Robotiksystemen zu bauen, zu testen und zu skalieren, die Mitarbeiter bei der Erfüllung von Kundenbestellungen unterstützen.“

– Scott Dresser, Vizepräsident von Amazon Robotics

Laut ihm haben Fortschritte in der KI deren nahtlose Integration ermöglicht, was zu einer geschätzten Produktivitätssteigerung von 25 % in den Fulfillment‑Einrichtungen führt.

Insgesamt gibt es neun Roboter. Dazu gehört Proteus, Amazons proprietärer autonomer mobiler Roboter, der entwickelt wurde, um um Menschen herum zu arbeiten, indem er Sensoren und eine Mischung aus KI‑basierten und ML‑Systemen nutzt. 

Robin ist ein Roboterarm, der für das Sortieren von Paketen verantwortlich ist und erfolgreich mehr als drei Milliarden Paketbewegungen durchgeführt hat. Ein weiterer Roboterarm ist Cardinal, der Pakete in Wagen legt. Sparrow ist ebenfalls ein Roboterarm, der einzelne Gegenstände aufnimmt und bewegt.

Sequoia nutzt Robotik, KI und Computer‑Vision‑Systeme, um das Inventar zu konsolidieren. Hercules findet und bringt Pods mit Artikeln zu den Mitarbeitern, wobei Titan dieselbe Aufgabe übernimmt, jedoch die doppelte Tragfähigkeit von Hercules besitzt. Dann gibt es noch Vulcan, Amazons ersten Roboter mit Tastempfindung, der zusammen mit den Mitarbeitern arbeitet. 

Darüber hinaus werden verschiedene Verpackungsinnovationssysteme eingesetzt, um Kundenbestellungen zu verpacken, wobei eine Verpackungs‑Automatisierungsmaschine verwendet wird, um passgenaue Papiertüten herzustellen.

Amazon verfügt derzeit über eine Marktkapitalisierung von 2,18 Billionen $, wobei die Aktien zum Zeitpunkt dieses Schreibens bei 205,8 $ gehandelt werden, ein Rückgang von 6,24 % im laufenden Jahr. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 6,13, ein KGV (TTM) von 33,55 und ein ROE (TTM) von 25,24 %.

Was die Finanzen betrifft, meldete Amazon im ersten Quartal zum 31. März 2025 Nettoumsätze von 155,7 Milliarden $, wobei die Verkäufe in Nordamerika um 8 % gegenüber dem Vorjahr auf 92,9 Milliarden $ und international um 5 % auf 33,5 Milliarden $ stiegen.

In diesem Zeitraum meldete Amazon ein Betriebsergebnis von 18,4 Milliarden $, einen Nettogewinn von 17,1 Milliarden $ bzw. 1,59 $ pro verwässerter Aktie und einen operativen Cashflow von 113,9 Milliarden $. Der freie Cashflow des Unternehmens sank auf 25,9 Milliarden $.

„Wir sind zufrieden mit dem Start ins Jahr 2025, insbesondere mit unserem Innovations‑ und Fortschrittstempo bei der kontinuierlichen Verbesserung der Kundenerlebnisse“, sagte CEO Andy Jassy, der bemerkte, dass die nächste Generation von Alexa (Alexa+) „deutlich intelligenter“ und leistungsfähiger wird, neue Trainium2‑Chips und die Erweiterung des Bedrock‑Modells es AWS‑Kunden erleichtern, Modelle zu trainieren und Inferenz kosteneffizient durchzuführen, und die ersten Project‑Kuiper‑Satelliten erfolgreich in den niedrigen Erdorbit gestartet wurden, um der breiten Masse Breitbandzugang zu bieten.

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Robotikunternehmen.

Neueste Amazon (AMZN) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Fazit: Warum ATMO eine neue Ära der Robotik einläutet

Die Welt der Robotik nutzt bio‑inspirierte Technik, Transformation in der Luft und intelligente Steuerungssysteme, um Boden‑Luft‑Roboter zu entwerfen, die aufgrund erhöhter Antriebsanforderungen, die Gewicht hinzufügen und die Effizienz ihrer Fortbewegung verringern können, bisher eine Herausforderung darstellten.

Caltech‑Ingenieure haben dies mit ATMO erreicht, einem Roboter, der in Bodennähe transformiert und einen reibungslosen Übergang zwischen Luft‑ und Bodemodi ermöglicht, indem er die Bodennah‑Aerodynamik nutzt und das System mit einer modellprädiktiven Steuerung stabilisiert.

ATMO stellt einen entscheidenden Schritt dar, um die Lücke zwischen Luft‑ und Erdmobilität zu schließen, was durch zahlreiche experimentelle Demonstrationen bestätigt wird. Mit seinen realen Transformationsfähigkeiten zeigt der Roboter ein enormes Potenzial, autonome Operationen in allen Branchen neu zu definieren und den Weg für agilere, robustere und anpassungsfähige Maschinen zu ebnen!

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Roboter von der Natur inspiriert werden können.

Studien zitiert:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., & Zhao, J. (2023). Embedded shape morphing for morphologically adaptive robots. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}