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Schwarmrobotik eröffnet neue Möglichkeiten für Industrie, Landwirtschaft und andere Bereiche

Bildquelle: Pete/stock.adobe.com; KI-generiert

Von David Pike für Mouser Electronics

Veröffentlicht am 8. August 2025

Drohnen, auch bekannt als unbemannte Luftfahrzeuge (Uncrewed Aerial Vehicles, UAVs), werden immer smarter, schneller und koordinierter – von der Präzisionslandwirtschaft bis hin zur Katastrophenhilfe. Die nächste Entwicklungsstufe: der synchronisierte Flug.

Jüngste Fortschritte in den Bereichen Edge Computing, Drahtloskommunikation und Sensorfusion haben die Möglichkeiten der autonomen Robotik erheblich erweitert. Zugleich sind Drohnensysteme komplexer geworden, was neue Herausforderungen an das Design mit sich bringt, wie z. B. die Verwaltung verteilter Datenverarbeitung, das Aufrechterhalten einer Verbindung mit geringer Latenz und die Einhaltung strenger Energiebeschränkungen.

Mit der Weiterentwicklung dieser Systeme verlagert sich der Fokus auf die Koordination mehrerer Roboter, bei der Gruppen von autonomen Drohnen zusammenarbeiten, um Aufgaben mit höherer Effizienz zu erledigen, als dies bei einer einzelnen Drohne möglich wäre. Dieser Beitrag befasst sich mit dem zunehmenden Einsatz koordinierter Drohnen und Roboter, der als Schwarmrobotik bezeichnet wird.

Inspiriert von der Natur

Bei der Schwarmrobotik arbeiten zahlreiche Drohnen zusammen, um eine gemeinsame Aufgabe zu erfüllen. Das vielleicht bekannteste Beispiel für Schwarmrobotik ist die beliebte Alternative zu Feuerwerken, bei der Drohnen auf Sportveranstaltungen und Feiern faszinierende Shows bieten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Im Rahmen der Feierlichkeiten zum Platin-Thronjubiläum von Elisabeth II. 2022 in London fand eine Drohnenshow statt, bei der koordinierte Drohnenschwärme die Form eines Corgis bildeten. (Quelle: Neuseeländische Regierung, Büro des Generalgouverneurs, lizenzfreie Nutzung)

Auch in der Natur gibt es viele Beispiele für Schwärme. Zahlreiche Insektenarten sowie Ameisen und Bienen arbeiten als geschlossene Einheit zusammen, ohne dass eine zentrale Steuerung vorhanden ist. Trotz dieser fehlenden Gesamtsteuerung koordinieren sie ihre Aktivitäten, um komplexe Aufgaben zu bewältigen. Entwickler werden von diesem Verhalten inspiriert und entwerfen Roboterschwärme für neue Applikationen in verschiedenen Einsatzbereichen.^[1]

Schwarmrobotik in der Industrie

Die Fertigungsindustrie war einer der ersten Anwendungsbereiche für Roboter, allerdings handelte es sich dabei um einfache Maschinen, die für begrenzte Aufgaben ausgelegt waren, diese jedoch schneller und konsistenter ausführten als menschliche Arbeitskräfte. In der modernen Smart Factory müssen Roboter wesentlich flexibler sein und schnell auf wechselnde Anforderungen reagieren können. In solchen Fertigungsstätten werden bereits autonome mobile Roboter (AMRs) für viele Aufgaben eingesetzt, etwa für den Materialtransport und das Kommissionieren von Bestellungen. Diese Roboter folgen jedoch oft vordefinierten Pfaden und sind für das strukturierte Umfeld der Fertigungshalle optimiert.

Schwarmfähige Roboter bieten weitaus mehr Flexibilität. Diese Schwärme sind so konzipiert, dass sie Entscheidungen vor Ort treffen und eine zentralisierte oder strukturierte Steuerung überflüssig machen. Dank der Vielzahl der beteiligten Einheiten kann der Schwarm Aufgaben auf Basis der Verfügbarkeit und der Bedingungen ausführen. Betrachtet man den Schwarm als eine Einheit, ist er fehlertolerant, da Ausfälle durch die Zuweisung alternativer Einheiten umgangen werden können, um ein erfolgreiches Ergebnis zu gewährleisten.

Mit einem Schwarm autonomer Roboter können Materialien mit größerer Flexibilität innerhalb der Fertigungsanlage transportiert werden. Bereiche mit hohem Verkehrsaufkommen können umgangen werden, und ungenutzte Einheiten können neue Aufgaben erhalten und schnell auf ungewöhnliche Situationen reagieren.

Roboter in der Landwirtschaft

Die moderne Landwirtschaft erstreckt sich über eine weite, unvorhersehbare Umwelt, die sich stark von der kontrollierten Umwelt einer Fabrik unterscheidet. Smarte Landwirtschaftstechnologie beginnt, manuelle Arbeit durch Sensoren und datengestützte Entscheidungen zu ersetzen, aber der Umfang und die Variabilität der Aufgaben auf einem Bauernhof bleiben eine Herausforderung.^[2]

Roboterschwärme bieten eine Lösung für diese Herausforderung. Im Gegensatz zu hochentwickelten landwirtschaftlichen Maschinen bestehen Roboterschwärme aus einer großen Anzahl relativ einfacher Maschinen. Sie sind sinnvoll, weil sie über große Flächen eingesetzt werden können und kooperativ arbeiten, um wiederkehrende und zeitaufwändige Aufgaben zu erledigen.

Landwirtschaftliche Roboter kombinieren die Vorteile von bodengestützten und luftgestützten Drohnen. Bodengestützte Systeme können direkt in Pflanzen und Boden eingreifen, während Luftdrohnen große Flächen überwachen und Sprüheinsätze durchführen können. Diese Kombination schafft ein vielschichtiges, adaptives System, das auf die einzigartige landwirtschaftliche Umwelt abgestimmt ist. Aufgrund ihrer Mobilität sind die Roboter nicht auf eine feste Infrastruktur angewiesen und eignen sich daher ideal für den Einsatz an abgelegenen Orten.

Roboterschwärme sind außerdem skalierbar, da zusätzliche Einheiten schnell hinzugefügt oder entfernt werden können, um auf saisonale Anforderungen zu reagieren. Daher handelt es sich bei dem Schwarm um eine große Roboter-Arbeitskraft, die viele sich wiederholende Tätigkeiten in der Landwirtschaft ausführen kann, ohne dass eine zentrale Steuerung erforderlich ist, sodass der Landwirt eher eine Aufsichtsfunktion übernehmen kann.

Instandhaltung von Infrastruktur

Landwirtschaftliche Betriebe sind nicht die einzigen Umgebungen, in denen autonome Roboter sinnvoll eingesetzt werden können. Kritische Infrastrukturen wie Pipelines, Stromnetze und Windkraftanlagen stehen vor ähnlichen Herausforderungen. Solche Infrastrukturen erstrecken sich über weite Gebiete, können sich an abgelegenen Orten befinden und müssen regelmäßig inspiziert werden. Hubschrauberflüge sind zwar hilfreich, liefern jedoch nicht die erforderlichen Details. Inspektionen vom Boden aus liefern zwar genauere Details, sind jedoch langsam, teuer und manchmal gefährlich.

Roboterschwärme bieten eine Alternative, bei der Mobilität und Präzision für eine schnelle und sichere Datenerfassung kombiniert werden. So können große Gruppen von Drohnen, die mit hochauflösenden Kameras und anderen Sensor-Systemen ausgestattet sind, schnelle Inspektionen aus verschiedenen Blickwinkeln durchführen. Sie können in der Luft schweben, um kritische Aufbauten genau zu inspizieren, und sich dann schnell zum nächsten Standort bewegen, ohne von der Umgebung beeinträchtigt zu werden.

Luftgestützte Rettungskräfte

Bei jedem großen Notfall, von Erdbeben bis hin zu Waldbränden, kann ein frühzeitiges Eingreifen die Überlebenschancen von Menschen und Tieren erheblich verbessern. Auch bei Such- und Rettungsaktionen ist Geschwindigkeit entscheidend, da eine schnelle Reaktion über Leben und Tod entscheiden kann.

Herkömmliche Such- und Rettungsteams am Boden sind mit sehr gefährlichen Bedingungen konfrontiert. Auch andere Gefahren, wie instabile Gebäude und lokale Brandherde, können Rettungskräfte dazu zwingen, sich nur langsam fortzubewegen.

Schwärme von Such- und Rettungsdrohnen können nach fast jedem Notfall schnell eingesetzt werden. Diese Drohnen (Abbildung 2) sind mit fortschrittlichen Erkennungssystemen ausgestattet, wie Infrarot- und Umgebungssensoren, und können schnell ein genaues Modell der Bodenbedingungen erstellen.

Abbildung 2: Drohnen können zusammenarbeiten, um Aufgaben über große Gebiete und Gebäude hinweg zu automatisieren. (Quelle: Free-styler/stock.adobe.com)

Durch die dezentrale Steuerung dieser Such- und Rettungsdrohnen können die Bediener parallele Suchaktionen über große Bereiche durchführen und potenzielle Überlebende für Folgeteams identifizieren. Dank ihrer Schwarmintelligenz können sie ihre Routen dynamisch neu organisieren, und aufgrund ihrer geringen Größe können sie Orte sicher inspizieren, die für Menschen gefährlich wären.

Schlüsseltechnologie

Die Kommunikation zwischen Drohnen ist die wichtigste Voraussetzung für das Funktionieren eines Schwarms. Damit der Schwarm als zusammenhängende Einheit agieren kann, müssen Informationen mit möglichst geringer Verzögerung ausgetauscht werden. Jede Drohne muss Daten über ihre Positionen, den Status ihrer zugewiesenen Aufgabe und Beobachtungen über ihre Umgebung weitergeben.

Die von einer Gruppe von Robotern oder Drohnen erzeugte Informationsmenge kann die Leistungen gängiger Protokolle wie WiFi, Zigbee und LTE überfordern. In dichten Schwärmen sind sowohl eine Kommunikation mit geringer Latenz als auch Skalierbarkeit erforderlich. Eine Lösung könnten neue Mesh-Netzwerkprotokolle und dedizierte Standards für Schwärme sein, wie beispielsweise mobile Ad-hoc-Netzwerke (MANETs). MANETs sind dezentrale drahtlose Netzwerke, für die keine vorgefertigte Infrastruktur wie Router oder drahtlose Zugangspunkte erforderlich ist.

Jede Drohne, die Teil eines MANET ist, arbeitet unabhängig, tauscht jedoch während ihrer Bewegung ihre Daten mit anderen Mitgliedern des Schwarms aus. Jede Drohne ist somit Teil eines Netzwerks und überträgt nicht nur ihre eigenen Daten, sondern auch Informationen von ihren Nachbarn als Relais.

Genaue Positionsdaten sind ein wichtiger Bestandteil der Daten, die ausgetauscht werden müssen. Globale Positionierungssysteme (GPS) sind eine etablierte Methode zur Ermittlung genauer Positionen, können jedoch in geschlossenen Räumen oder unterirdischen Umgebungen nur begrenzt eingesetzt werden. Die Drohnen müssen auch in Bereichen ohne GPS-Empfang in der Lage sein, zu arbeiten. Andere Technologien, darunter Ultra-Breitbandkommunikation (UWB) und bildbasierte SLAM-Techniken (Simultaneous Localization and Mapping), gewährleisten eine dauerhafte Genauigkeit.

SLAM ist eine Technologie, die von Robotern und autonomen Fahrzeugen verwendet wird, um eine Karte ihrer Umgebung zu erstellen und ihre Position darin zu bestimmen.^[3] Die SLAM-Technologie nutzt die von bildbasierten Sensoren und Lidar erzeugten Informationen und benötigt eine Kommunikation mit geringer Latenz zwischen Positionssensoren und Prozessoren. Sie kann jedoch selbst dann eine Genauigkeit im Zentimeterbereich bieten, wenn andere Technologien nicht verfügbar sind.

Neben Sensoren, Kommunikations- und Positionssystemen benötigen Drohnen Energiespeicher und Antriebe. Entwickler müssen einen Ausgleich zwischen Gewicht und Leistung einerseits und Batterielebensdauer und Haltbarkeit andererseits finden. Batterien mit Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Technologie bieten eine ideale Kombination aus Energiedichte und Gewicht für kleine Drohnen. Entwickler müssen auch die Bedingungen berücksichtigen, unter denen Drohnenschwärme betrieben werden sollen. Wenn sie in industriellen oder landwirtschaftlichen Umgebungen oder zur Hilfe bei Naturkatastrophen eingesetzt werden, müssen Drohnen Wind, Regen und extremen Temperaturen standhalten können.

Künftige Entwicklungen

Der Roboterschwarm der Zukunft wird fortschrittliche Funktionen bieten, darunter autonome Missionsplanung und Integration in Unternehmenssysteme. In der Industrie werden Schwärme direkt mit automatisierten ERP-Systemen (Enterprise Resource Planning) und IoT-Netzwerken (Internet der Dinge) zusammenarbeiten, um einen vollständig autonomen Betrieb zu ermöglichen. Bei anderen Applikationen wird es zu einer verstärkten Zusammenarbeit mit menschlichen Bedienern kommen, einschließlich der Verwendung von komplexen Befehlen wie Gesten und direkter Sprache.

Für diese zusätzlichen Fähigkeiten werden neue Richtlinien und Vorschriften erforderlich sein. Auf operativer Ebene muss der Luftraum mit konventionellen bemannten Flugzeugen geteilt werden. Mit dem Fortschritt der künstlichen Intelligenz (KI) und zunehmender Autonomie kommen ethische und datenschutzrechtliche Überlegungen ins Spiel, und die Aufrechterhaltung des Vertrauens der Öffentlichkeit ist entscheidend, um ihre breite Akzeptanz im täglichen Gebrauch sicherzustellen.

Roboterschwärme bieten einen neuen Ansatz für Industrie, Landwirtschaft, Infrastruktur und Notfallmaßnahmen. Angesichts der Fortschritte in den Bereichen Autonomie, Kommunikation und Positionierungssysteme bieten dezentrale Schwärme skalierbare und effiziente Lösungen. Im Zuge der Weiterentwicklung von Richtlinien und Vorschriften werden Roboterschwärme von der Innovation zur Integration übergehen.

Quellen

[1]https://wyss.harvard.edu/technology/robobees-autonomous-flying-microrobots/
[2]https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e42136
[3]https://ieeexplore.ieee.org/document/8675575