Allroundtalent 18.07.2023, 14:52 Uhr

Echter Transformer: Bioinspirierter Roboter fliegt, rollt oder geht

Ein von der Caltech entwickelter Roboter kann seine Extremitäten äußerst flexibel einsetzen. So rollt er zum Beispiel wahlweise auf vier Rädern, läuft auf zwei Beinen oder fliegt über Schluchten. Die Entscheidungen trifft der Transformer dabei ganz von alleine, bei der Entwicklung stand die Natur Pate.

Der Calltech Roboter M4 sieht erst einmal harmlos aus, er hat es aber faustdick hinter den Ohren.

Foto: Peter Holderness / Caltech

Der Calltech Roboter M4 sieht erst einmal harmlos aus, er hat es aber faustdick hinter den Ohren.

Foto: Peter Holderness / Caltech

In der Filmreihe „Transformers“ spielen intelligente Maschinenwesen, die über die Fähigkeit verfügen, ihren Körper in andere Formen zu verwandeln, eine Hauptrolle. Was dort Science-Fiction ist, könnte schon bald Wirklichkeit werden – zumindest in Teilen. Forschende der Caltech (California Institute of Technology) haben einen bioinspirierten Roboter entwickelt, der acht Bewegungsarten ausführen kann. Dabei bewertet er die Umgebung ganz autonom, um die effektivste Fortbewegungsart zu wählen. Zum Einsatz könnte der Roboter zum Beispiel in unbekanntem Gelände kommen, auf fremden Planten oder auch zum Transport von verletzten Personen. Noch ist er jedoch ein reiner Prototyp und besitzt noch gar nicht die Größe, um damit zum Beispiel Menschen zu transportieren.

Das Allroundtalent hört auf den Namen M4

Der neu entwickelte Roboter namens M4 (Multi-Modal Mobility Morphobot) verfügt über eine vielseitige Funktionalität. Er kann sich auf vier Rädern fortbewegen oder auch seine Räder in Rotoren umwandeln und fliegen. Zudem beherrscht er die Fähigkeit, auf zwei Rädern wie ein Erdmännchen zu stehen, um Hindernisse zu überblicken. Durch die Nutzung seiner Räder als Beine kann er sich sogar „gehen“ und menschenähnlich bewegen. Darüber hinaus ist er in der Lage, mithilfe von zwei Rotoren steile Hänge hinaufzufahren und kann auch stürzen, ohne dabei Schaden zu nehmen.

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Die breite Palette an Fähigkeiten dieses Roboters ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungsbereichen: Er kann beispielsweise beim sicheren Transport von Verletzten ins Krankenhaus eingesetzt werden und bietet zudem Potenzial für die Erforschung anderer Planeten. Laut Mory Gharib, Professor für Aeronautics and Bioinspired Engineering und Direktor des Caltechs Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), gibt es zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Roboter

Der M4 hat eine Länge von 70 Zentimetern und ist jeweils 35 Zentimeter breit und hoch, wenn er als Fahrzeug auf dem Boden rollt. Wenn er jedoch auf den Hinterrädern steht und die vorderen Räder in die Luft ragen, erreicht er eine Höhe von einem Meter. Diese aufrechte Position eröffnet nach Angaben der Forscher zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten für Messungen.

Äußerst flexible Fortbewegung dank KI

Dank der Flexibilität seiner Bewegungen und künstlicher Intelligenz kann der Roboter basierend auf dem vor ihm liegenden Gelände die effektivste Fortbewegungsform wählen. Stellen Sie sich vor, wie der M4 eine unbekannte Umgebung erkundet:

Zunächst rollt er auf seinen vier Rädern, was seine energieeffizienteste Fortbewegungsweise ist. Sobald er auf ein Hindernis wie einen Felsen trifft, könnte er auf zwei Räder stehen, um darüber hinwegzublicken und einen klareren Blick auf den Boden vor ihm zu bekommen. Wenn er dann eine Schlucht oder ein anderes Hindernis entdeckt, das von einem radbasierten Roboter nicht überwunden werden kann, kann er seine Räder in Rotoren umwandeln, über die Schlucht hinwegfliegen und danach wieder zum Rollen übergehen.

Professor Gharib, Mitautor des Artikels in Nature Communications, erklärt: „Bei der Begegnung mit unbekannten Umgebungen können nur Roboter erfolgreich sein, die in der Lage sind, ihre Multi-Modal-Komponenten mithilfe künstlicher Intelligenz umzufunktionieren.“

Gliedmaße werden wahlweise zu Rädern, Beinen oder Schubdüsen

Eine der herausragenden Eigenschaften des M4 ist seine Fähigkeit, seine Extremitäten in Räder, Beine oder Schubdüsen umzuwandeln. Wenn der M4 auf zwei Rädern stehen muss, klappen zwei seiner vier Räder hoch, und die darin eingebauten Propeller drehen sich nach oben, um dem Roboter Balance zu geben. Wenn der M4 fliegen muss, klappen alle vier Räder hoch, und die Propeller heben den Roboter vom Boden ab.

Die Gelenke an den Radbaugruppen ermöglichen es dem M4, eine gehende Bewegung auszuführen. In der aktuellen Version des M4 ist die Gehbewegung größtenteils ein Konzeptnachweis. Mit zukünftigen Fortschritten könnten jedoch die nächsten Generationen des M4 die Fähigkeit besitzen, effektiv über unebenes Gelände zu gehen, mit dem ein radbasierter Roboter zu kämpfen hätte.

Generell bedarf bedarf es weiterer Fortschritte bei der Entwicklung des Entscheidungsalgorithmus, um in anspruchsvolleren Szenarien einsatzfähig zu sein. Darüber hinaus muss der Roboter noch lernen, Werkzeuge zu handhaben. Zwar planen die Forschenden nicht, mit dem M4 in Massenproduktion zu gehen, möglicherweise könnte der Roboter aber bei künftigen Marsmissionen zum Einsatz kommen. Bis es soweit ist, könnte es nach Auskunft des Forschungsteams jedoch noch bis zu fünf Jahre dauern.

Von der Natur inspiriert

Bei der Gestaltung des M4 wurde die Natur stark berücksichtigt: Gharib und seine Kollegen ließen sich beispielsweise davon inspirieren, wie Birkhühner (eine Art von Rebhühnern) mit dem Flügelschlagen Hebelwirkung nutzen, um steile Anstiege zu bewältigen, und wie Seelöwen ihre Flossen für verschiedene Arten der Fortbewegung im Wasser und an Land einsetzen.

Obwohl solche Beispiele für die Umwidmung von Extremitäten aus dem Tierreich bereits von Biologen berichtet wurden, werden die dadurch veranschaulichten Konzepte nun erst im ingenieurwissenschaftlichen Bereich der Technik erforscht. Der M4 verfügt über autonome Fähigkeiten und kann eigenständig Entscheidungen darüber treffen, wie er am besten durch komplexe Umgebungen navigiert. Der Roboter wurde auch im Freien getestet und hat erfolgreich das Gelände des Caltech-Campus durchquert.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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