Virkelige Transformers? Ingeniører laver robotter, der former sig i luften

Robotverdenen udvikler sig i et hurtigt tempo. Fra arbejdende robotter til humanoide robotter, der er mere smidige og i stand til komplekse bevægelser, træder vi ind i en ny æra inden for robotteknologi. 

Allerede i sidste måned skabte forskere interaktive robotter der opfører sig som terapiheste, der reagerer på menneskelige følelser; en blød men intelligent robot som bevæger sig og griber objekter ved at sanse sit miljø, meget lig en blæksprutte; og en robotisk hund der efterligner pattedyr for overlegen mobilitet både på land og i vand.

Ingeniører har endda opfundet en selvhelbredende muskel til robotter, der kan opdage skader, hele dem og derefter nulstille for at opdage fremtidig skade. Evnen til at styre robotter på afstand mens man føler interaktionen ved fingerspidserne er også blevet introduceret.

Midt i alt dette har et hold af ingeniører nu udviklet en ægte Transformer, der kan ændre sin form mens den er i luften. Denne midlertidige lufttransformation gør det muligt for robotten at rulle væk ubesværet og derefter starte sine operationer på jorden uden pause. 

Med denne evne har Caltech-ingeniører overvundet udfordringen med specialiserede robotter, der både kan køre og flyve uden at sidde fast i ujævnt terræn. Den forbedrede fleksibilitet i disse robotter kan være særligt gavnlig for robotudforskere og leverancer.

Hvorfor jord- og luftrobotter har svært ved at klare sig i virkelige miljøer

Effektiv jord-luft-bevægelse er afgørende for en bred vifte af robotapplikationer; dog er hverken jord- eller luftrobotter endnu i stand til at operere pålideligt i den virkelige verden. 

Mens jordrobotter er begrænset af deres driftsområde, hvilket gør det umuligt for dem at bevæge sig over høje forhindringer eller udføre inspektionsopgaver, står luftrobotter over for problemet med begrænset batteriydelse på grund af belastningskrav og sikkerhedsbekymringer ved flyvning i et bymiljø.

Disse udfordringer, som nutidens autonome systemer står over for, kan overvindes ved at kombinere luft- og jordkapaciteter. Derfor er fokus for Caltech-ingeniørteamet på udviklingen af jord-luft-robotter.

Designene af mange sådanne robotter har en tendens til at afhænge af redundansfilosofien og brugen af flere aktuatorer for at opfylde deres bimodale bevægelseskrav.

Disse redundante robotdesign ender dog ofte med at bruge flere aktuatorer og komponenter end nødvendigt, hvilket resulterer i øget vægt og omkostninger.

Her kan morphobots eller robotter, der genbruger de samme vedhæng til forskellige opgaver via formændring, generere forskellige bevægelsesformer, mens både systemkompleksiteten og vægten reduceres.

Denne type robotdesign henter ofte inspiration fra dyrs multifunktionelle bevægelsesadfærd og forventes at øge effektiviteten af mobile autonome robotter, der skal håndtere skiftende, ustrukturerede miljøer.

For eksempel præsenterede en undersøgelse fra forskere ved Colorado State University for et par år siden præsenteret¹ et indlejret form-morphingsystem for morfologisk adaptive robotsystemer.

Forskerne udviklede tre robotter, der kan ændre deres ben og kroppe efter behov for at bevæge sig gennem svært terræn. Disse systemer blev designet til at efterligne den måde, biologiske organismer, såsom frøer, tilpasser deres form afhængigt af deres miljø og livscyklus. For at udvikle disse robotter brugte forskerne materialer, der kan blive bløde eller stive ved temperaturændringer og bevæge sig uden omfangsrige kraftsystemer.

Dets indlejrede morphingsystem benyttede en let kunstig muskel, meget lig en menneskelig, som trækker sig sammen, når elektricitet påføres, hvilket gør det muligt for forskerne at opnå en række forskellige formtyper og gøre dem mere alsidige og bedre rustet til at navigere i vanskelige miljøer. 

Nyere forskning har brugt multifunktionelle vedhæng og kropsformændringer for at forbedre bevægelse, hvilket muliggør manøvrer, der før ikke var mulige. Men en evne hos morphobots, som ikke er blevet undersøgt så meget, er deres midt-i-luften formskift for at forbedre både jord- og luftbevægelse.

Dette kan give morphobots evnen til at omgå behovet for jordkøretøjsinteraktion under transformationen. 

Midt-i-luften-ændringen kan give en pålidelig vej til adfærdsmæssig smidighed og missionssikkerhed i scenarier, hvor jordmorphing måske ikke er mulig på grund af ujævnt terræn, der hindrer robotens vedhængs jordbevægelse.

Så præsenterede Caltech-ingeniørerne deres undersøgelse, som visualiserer en lufttransition, der forbinder flyvning og kørsel.

Denne manøvre kaldes den dynamiske hjullanding, hvor målet er at have en glidende overgang fra flyvning til kørsel ved at transformere nær jorden og lande på dobbeltfunktionelle hjul- og thruster-vedhæng med så tæt på en kørekonfiguration som muligt, hvilket betyder den størst mulige tiltvinkel, mens den ønskede påvirkningshastighed opnås. 

I modsætning til konventionelle quadrotor-lande manøvrer, hvor robotten generelt lander ved vertikal, ikke-transformerende nedstigning, involverer den i undersøgelsen præsenterede manøvre morpho-transition, hvilket betyder skift mellem to tilstande via nær-jord morphing.

Men at opnå denne type manøvre er ikke en nem opgave; snarere er det en udfordring fra et design-, modellerings- og kontrolperspektiv. 

Ikke kun kræver manøveren øget drejningsmoment for konsekvent at modstå thrustkræfterne, men den introducerer også nye dynamiske koblinger mellem aktuatorgrænser og robotens frihedsgrader. Autonom nær-jord luftoperation er allerede et kendt udfordrende problem på grund af jordens aerodynamik. Derudover er aerodynamikken ved morphende flyvning og nær-jord transformation stort set ukendt. 

For at tackle disse udfordringer har Caltech-forskere designet den Aerially Transforming Morphobot (ATMO) specifikt for at løse problemet med midt-i-luften transformation.

Inde i ATMO: Den virkelige Transformer-robot forklaret

Udgivet i tidsskriftet Communications Engineering, undersøgelsen, støttet af finansiering fra Center for Autonomous Systems and Technologies på Caltech, adresserer udfordringen med lufttransformation for Morphobots ved at designe en flyvende-kørende robot kaldet ATMO.

Denne robot er specialiseret i midt-i-luften transformation gennem en morphingsmekanisme, der muliggør ændring af kropsformen under flyvning, mens der kun kræves minimal aktuation.

Den bruger fire thrusters til at flyve, mens de skærme, der beskytter thrusters, bliver til systemets hjul i en alternativ kørekonfiguration. Hele transformationen er afhængig af en enkelt motor, der bevæger et centralt led, som skubber thrusters op i dronemode eller ned i køremode.

Det nye robotsystem er inspireret af naturen, med hovedforfatter Ioannis Mandralis, en kandidatstuderende i rumfart på Caltech, der illustrerer, hvordan fugle flyver og tilpasser deres kropsmorfologi for at bremse og undgå forhindringer. 

“At have evnen til at transformere i luften åbner mange muligheder for forbedret autonomi og robusthed.”

– Mandralis

Og selvom det ser ret enkelt ud at se en fugl lande og løbe, er det det ikke.

“I virkeligheden er dette et problem, som luftfartsindustrien har kæmpet med i sandsynligvis mere end 50 år,” sagde Mory Gharib, Hans W. Liepmann Professor i Aeronautik og Medicinsk Ingeniørkunst samt direktør og Booth-Kresa Leadership Chair for Caltech’s Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), hvor forskere samarbejder om at fremme dronere forskning, autonom udforskning og bio-inspirerede systemer.

Alle flyvende køretøjer skal håndtere komplekse kræfter tæt på jorden. 

I tilfælde af helikoptere, når de kommer ind for en landing, skubber deres thrusters meget luft nedad. Her leveres løft og thrust af de roterende rotorer. Når luftstrømmen rammer jorden, cirkulerer noget af den tilbage opad. Så hvis helikopteren stiger for hurtigt, kan den suges ind i denne luftvortex og miste sit løft.

Når det gælder ATMO, bliver tingene endnu mere komplicerede, fordi den skal håndtere nær-jord kræfter, mens den har fire jetmotorer, der kontinuerligt ændrer den grad, hvormed de skyder mod hinanden. Dette skaber mere turbulens og dermed ustabilitet.

For at få en bedre forståelse af den aerodynamiske kraft udførte ingeniørerne eksperimenter i CAST’s dronelaboratorium.

For at undersøge, hvordan ændring af robotens konfiguration under landing påvirker dens thrustkraft, gennemførte holdet load cell-eksperimenter, som involverer måling af den påførte kraft på et objekt ved hjælp af en load cell, en enhed der omdanner mekanisk kraft til et elektrisk signal.

Forskerne udførte også røgvisualiseringsforsøg, som bruges til at gøre luftstrømmønstre synlige, for at opdage den underliggende situation, der fører til disse dynamikændringer.

Når indsamlet, blev indsigterne derefter indført i algoritmen bag det nye kontrolsystem, som forskerne skabte for ATOM.

Dette system anvender en avanceret kontrolteknik kaldet model-predictive control, som konstant forudsiger, hvordan systemet vil opføre sig i den nærmeste fremtid, og derefter justerer sine handlinger for at holde kursen.

Ifølge Mandralis:

“Kontrolalgoritmen er den største innovation i dette papir. Quadrotors bruger specifikke controllere på grund af hvordan deres thrusters er placeret og hvordan de flyver. Her introducerer vi et dynamisk system, som ikke er blevet studeret før. Så snart robotten begynder at morph, får du forskellige dynamiske koblinger — forskellige kræfter, der interagerer med hinanden. Og kontrolsystemet skal kunne reagere hurtigt på alt dette.”

Test af ATMO: Hvordan ingeniører bekræftede midt-i-luften transformationen

ATMO fra Caltech-ingeniører har opnået både kørsel og flyvning ved brug af de dobbeltfunktionelle vedhæng gennem formskift. Men det, der gør ATMO anderledes end andre sådanne robotter, er den ‘selvlåsende tilt-aktuator mekanisme’, som muliggør transformation i luften med et simplere design, lavere omkostninger og minimale aktuationskrav.

Når den er i flyvemodus, er robotten konfigureret som en standard quadcopter og bruger sine hjul-thruster-vedhæng til fremdrift. I køremodus genbruges disse samme vedhæng til hjulbaseret fremdrift. 

Den resulterende kompakte robot har en samlet vægt på 5,5 kg, hvilket også inkluderer batteriet. Hvad angår dens dimensioner, er robotten 33 cm høj og 30 cm bred i jordkonfiguration og 16 cm høj og 65 cm bred i luftkonfiguration.

Til kørsel bruger ATMO to bælte-remsystemer placeret på hver side, som drives af kørselmotorer, hvilket muliggør differentialkørsel.

Ud over at have en computer ombord, der kører en brugerdefineret controller, er robotten også udstyret med sensorer ombord til tilstandestimering og fusion. Al kommunikation foregår gennem den avancerede software ROS2. 

For at validere systemet blev controlleren anvendt på en dynamisk hjullanding i CAST’s flyveområde ved brug af et motion capture-system til at muliggøre tilstandestimering.

I dette eksperiment blev controlleren brugt til at følge en referencebane i rummet, som bestod af en nedstigning med noget fremadgående bevægelse, mens wheel-thrusters vinkledes, landede på hjulene og derefter kørte fremad.

Det modelbaserede kontrolskema er udviklet til at dække den fulde driftspakke af flyvning, kørsel og overgang. For at tackle aktuator-saturationsproblemet, der opstår når robotten tiltler sine thrusters for at lande på hjul, brugte holdet “en dekomposition af kontrolmålfunktionen i en konveks kombination af specialiserede målfunktioner for hver fremdriftstilstand.”

Dette leverede en fleksibel ramme for styring af systemerne under overgangen fra jord til luft.

Den udviklede controller muliggør landinger med tiltvinkler, der overstiger aktuator-saturationsgrænserne. Dette tillader den nye robot at klare ujævnt terræn.

Med en endelig tiltvinkel ved landing på 65° demonstrerede robotten, at den med succes kan lande med en tiltvinkel, der overstiger den kritiske vinkel. Dette, bemærkede undersøgelsen, opnås på grund af ændringen i omkostningsfunktionen under overgangsfasen, og som resultat kan ATMO fortsætte med at tilte sine wheel-thrusters, mens den opretholder den ønskede attitude.

For at validere kontrolmetoden udførte holdet en kørselstagnoff, som blev efterfulgt af en dynamisk hjullanding.

De demonstrerede også et vigtigt anvendelsestilfælde af midt-i-luften transformation, en invers manøvre bestående af hurtig opstigning sammen med fremadgående kørsel, ud over landing på en skråning.

I eksperimentet var ATMO i stand til at lande glat på en skråning med kendt højde og position, hvilket kan være farligt på grund af risikoen for at tippe, og kan undgås ved at transformere før landing og fortsætte kørsel.

Samlet set viser den eksperimentelle validering af funktion og levedygtighed af disse robotter, at “brug af midt-i-luften robottransformation kan resultere i dynamiske jord-luft overgangsmanøvrer, der forbedrer robotens smidighed og udvider driftsområdet – baner vejen for større autonomi i fremtidige mobile robotmissioner,” bemærkede undersøgelsen.

Selvom holdet har demonstreret dynamiske overgangsmanøvrer med succes, var betingelserne her kontrollerede for at lette hurtig udvikling. For eksempel blev et motion capture-kamerasystem brugt til nøjagtigt og hurtigt at estimere positionen og orienteringen af robotsystemet, hvilket overgår hvad der kan opnås med eksisterende sensorer ombord.

Derfor er yderligere undersøgelser nødvendige for at bestemme, hvordan disse manøvrer fungerer i den virkelige verden, hvor robotter skal håndtere mere komplekst, ustruktureret terræn og træffe beslutninger baseret på delvis sensorinformation, som er påvirket af støj.

Investering i robotteknologi: Hvorfor Amazon (AMZN) skiller sig ud

Når det gælder et fremtrædende navn i robotteknologiindustrien, har e-handelsgiganten Amazon (AMZN ) gjort mange fremskridt her. For at lede robotteknologi, købte Amazon først Kiva Systems i 2012 for 775 millioner dollars, som senere blev omdøbt til Amazon Robotics LLC. Virksomheden afslørede derefter sin allerførste autonome mobile robot (AMR) kaldet Proteus i 2022.

Amazon (AMZN ) 

Fra maj 2025 rapporterer Amazon at have mere end 750.000 robotter udrullet på tværs af sine operationer, som sorterer, løfter og transporterer pakker. 

“Årtiers innovation har gjort det muligt for os at bygge, teste og skalere denne unikke, højt integrerede suite af robotsystemer, der arbejder for at støtte medarbejdere i at opfylde kundebestillinger.”

– Scott Dresser, Vice President of Amazon Robotics

Ifølge ham har fremskridt inden for AI gjort det muligt at integrere dem problemfrit, hvilket giver en anslået produktivitetsforbedring på 25 % på deres opfyldelsesfaciliteter.

Der er i alt ni robotter. Dette inkluderer Proteus, Amazons proprietære autonome mobile robot designet til at arbejde omkring mennesker ved brug af sensorer og en blanding af AI-baserede og ML-systemer. 

Robin er en robotarm, der er ansvarlig for at sortere pakker og har med succes gennemført mere end tre milliarder pakke-bevægelser. En anden robotarm er Cardinal, som lægger pakker i vogne. Sparrow er også en robotarm, der løfter og flytter enkelte genstande.

Sequoia bruger robotteknologi, AI og computer-visionssystemer til at konsolidere lagerbeholdning. Hercules finder og bringer pods af varer til medarbejdere, og Titan har også denne opgave, men med evnen til at løfte dobbelt så meget som Hercules. Så er der Vulcan, som er Amazons første robot med en følesans, der arbejder sammen med medarbejdere. 

Desuden anvendes en række emballage-innovationssystemer til at pakke kundebestillinger, hvor en Packaging Automation-maskine bruges til at fremstille skræddersyede papirposer.

Amazon har nu en markedsværdi på 2,18 billioner dollars, med aktier, der handles til 205,8 dollars på tidspunktet for denne skrivning, ned 6,24 % år-til-dato. Den har en EPS (TTM) på 6,13, en P/E (TTM) på 33,55 og en ROE (TTM) på 25,24 %.

Hvad angår økonomi rapporterede Amazon nettoomsætning på 155,7 milliarder dollars i første kvartal, der sluttede den 31. marts 2025. Salget steg 8 % år-til-år i Nordamerika til 92,9 milliarder dollars og 5 % år-til-år internationalt til 33,5 milliarder dollars.

For denne periode, Amazon rapporterede et driftsresultat på 18,4 milliarder dollars, et nettoresultat på 17,1 milliarder dollars eller 1,59 dollars per udvandet aktie, og en driftskontantstrøm på 113,9 milliarder dollars. Virksomhedens frie kontantstrøm faldt til 25,9 milliarder dollars.

“Vi er tilfredse med starten på 2025, især vores tempo af innovation og fremskridt i fortsat at forbedre kundeoplevelser,” sagde administrerende direktør Andy Jassy, som bemærkede, at næste generations Alexa (Alexa+) bliver “betydeligt smartere” samt mere kapabel, nye Trainium2-chips og Bedrock-modeludvidelse gør det lettere for AWS-kunder at træne modeller og køre inferens omkostningseffektivt, og de første Project Kuiper-satellitter med succes blev lanceret i lav jordbane for at levere bredbånd til masserne.

Klik her for en liste over de bedste robotvirksomheder.

Seneste Amazon (AMZN) aktienyheder og udviklinger

Konklusion: Hvorfor ATMO markerer en ny æra inden for robotteknologi

Robotverdenen udnytter bio-inspireret ingeniørkunst, midt-i-luften transformation og intelligente kontrolsystemer til at designe jord-luft-robotter, som har været udfordrende på grund af de øgede aktuationskrav, som kan tilføje vægt og reducere effektiviteten af deres fremdrift.

Caltech-ingeniører har opnået dette gennem ATMO, en robot der transformerer nær jorden med en glidende overgang mellem luft- og jordtilstande ved at udnytte nær-jord aerodynamik og stabilisere systemet ved hjælp af en model-predictive controller.

ATMO markerer et vigtigt skridt i at bygge bro mellem luft- og jordmobilitet, hvilket er valideret gennem adskillige eksperimentelle demonstrationer. Med sine virkelige transformerende evner viser robotten et enormt potentiale i at redefinere autonome operationer på tværs af industrier og baner vejen for mere smidige, robuste og adaptive maskiner!

Klik her for at lære, hvordan robotter kan tage inspiration fra naturen.

Refererede studier:

^{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}