Todellisia muuntajia? Insinöörit rakentavat robotteja, jotka muuntuvat ilmassa

Robotiikan maailma kehittyy nopeasti. Työroboteista ihmismäisiin robotteihin, jotka ovat taitavampia ja kykenevät monimutkaisiin liikkeisiin, astumme robotiikan uuteen aikakauteen. 

Juuri viime kuussa tutkijat loivat vuorovaikutteisia robotteja, jotka toimivat terapiaratsaina, reagoiden ihmisen tunteisiin; pehmeä mutta älykäs robotti joka liikkuu ja tarttuu esineisiin havaitsemalla ympäristönsä, aivan kuin mustekala; ja robottikoira, joka jäljittelee nisäkkäitä tarjoten erinomaisen liikkumisen sekä maalla että vedessä.

Insinöörit ovat jopa keksineet itseparantavan lihaksen robotteihin, joka pystyy havaitsemaan vammoja, parantamaan ne ja sitten nollamaan itsensä tulevien vahinkojen havaitsemiseksi. Kyky ohjata robotteja etänä samalla kun tuntee vuorovaikutuksen sormenpäissä on myös otettu käyttöön.

Kaiken tämän keskellä insinööri­tiimi on nyt kehittänyt todellisen muuntajan, joka voi muuttaa muotoaan ilmassa. Tämä ilmassa tapahtuva muuntuminen mahdollistaa robotin rullautua pois vaivattomasti ja aloittaa toimintansa maassa ilman taukoa. 

Tämän kyvyn avulla Caltechin insinöörit ovat ratkaisseet haasteen, jossa erikoistuneet robotit voivat sekä ajaa että lentää juuttumatta karuihin maastoihin. Näiden robottien parannettu joustavuus voi olla erityisen hyödyllistä robottitutkijoille ja toimituksille.

Miksi maalla ja ilmassa toimivat robotit kamppailevat todellisissa ympäristöissä

Tehokas maalla‑ilmassa liikkuminen on ratkaisevan tärkeää monenlaisissa robotiikkasovelluksissa; kuitenkin sekä maalla että ilmassa toimivat robotit eivät vielä pysty toimimaan luotettavasti todellisessa maailmassa. 

Kun maalla toimivat robotit rajoittuvat toimintamatkaansa, mikä tekee mahdottomaksi niiden liikkua korkeiden esteiden yli tai suorittaa tarkastustehtäviä, ilmassa toimivat robotit kohtaavat rajoitetun akkunäytön ongelman kuormitusvaatimusten ja turvallisuusnäkökohtien vuoksi kaupunkialueilla lentäessä.

Nykypäivän autonomisten järjestelmien kohtaamat haasteet voidaan voittaa yhdistämällä ilmassa ja maassa toimivat kyvyt. Siksi Caltechin insinööritekniikan tiimin keskittyminen on maalla‑ilmassa robottien kehittämisessä.

Monien tällaisten robottien suunnittelu perustuu usein redundanssifilosofiaan ja useiden toimilaitteiden käyttöön bi‑modaalisten liikkumistarpeiden täyttämiseksi.

Nämä redundanssiset robottisuunnitelmat kuitenkin usein käyttävät enemmän toimilaitteita ja komponentteja kuin on tarpeen, mikä lisää painoa ja kustannuksia.

Tässä morphobotit tai robotit, jotka käyttävät samoja lisäosia eri tehtäviin muodonmuutoksen avulla, voivat tuottaa erilaisia liikkumistapoja samalla kun ne vähentävät sekä järjestelmän monimutkaisuutta että painoa.

Tällaiset robottisuunnitelmat ammentavat usein inspiraatiota eläinten monitoiminnallisista liikkumiskäyttäytymisistä, ja niiden odotetaan parantavan mobiilien autonomisten robottien tehokkuutta, jotka kohtaavat muuttuvia, rakenteettomia ympäristöjä.

Esimerkiksi Colorado State Universityn tutkijoiden muutama vuosi sitten esitteli¹ upotetun muodonmuutosmenetelmän morfologisesti sopeutuville robottijärjestelmille.

Tutkijat kehittivät kolme robottia, jotka voivat muokata jalkojaan ja kehoaan tarpeen mukaan vaikeassa maastossa liikkumista varten. Nämä järjestelmät suunniteltiin jäljittelemään biologisten organismien, kuten sammakkojen, tapaa mukauttaa muotoaan ympäristönsä ja elinkaarensa mukaan. Näiden robottien kehittämiseksi tutkijat käyttivät materiaaleja, jotka voivat muuttua pehmeiksi tai jäykiksi lämpötilan muutoksilla ja liikkua ilman massiivisia virtalähteitä.

Sen upotettu muodonmuutosmenetelmä hyödynsi kevyttä keinotekoista lihasta, aivan kuin ihmisen lihas, joka supistuu sähkövirran vaikutuksesta, mahdollistaen tutkijoille monenlaisia muotoja ja tehden niistä monipuolisempia ja paremmin varustettuja vaikeiden ympäristöjen läpikulkuun. 

Viimeaikainen tutkimus on käyttänyt monitoimisia lisäosia ja kehon muodonmuutoksia liikkumisen parantamiseksi, mahdollistaen aiemmin mahdottomia manöövereitä. Mutta yksi morphobottien kyvyistä, jota ei ole tutkittu yhtä paljon, on niiden ilmassa tapahtuva muodonmuutos, joka parantaa sekä maalla että ilmassa liikkumista.

Tämä voi antaa morphoboteille kyvyn ohittaa maankulkuvaikutuksen tarve muuntumisen aikana. 

Ilmassa tapahtuva muutos voi tarjota luotettavan polun käyttäytymisagiliteettiin ja tehtävän turvallisuuteen tilanteissa, joissa maassa tapahtuva muuntuminen ei ole mahdollista karun maaston estäessä robotin lisäosien maassa tapahtuvan liikkeen.

Niinpä Caltechin insinöörit esittelivät tutkimuksensa, jossa visualisoidaan ilmassa tapahtuva siirtymämanööveri, joka yhdistää lentämisen ja ajamisen.

Tätä manööveriä kutsutaan dynaamiseksi pyörälaskuksi, jossa tavoitteena on saada sujuva siirtymä lentämisestä ajamiseen muuntamalla lähellä maata ja laskeutumalla kaksikäyttöisiin pyörä‑potkuri‑lisäosiin mahdollisimman lähellä ajokokoonpanoa, mikä tarkoittaa suurinta mahdollista kallistuskulmaa, samalla kun saavutetaan haluttu iskusnopeus. 

Toisin kuin perinteiset quadrotorin laskeutumismanoverit, joissa robotti laskeutuu yleensä pystysuorassa, ei‑muuntuvassa laskussa, tässä tutkimuksessa esitelty manööveri sisältää morpho‑muuntumisen, mikä tarkoittaa siirtymistä kahden tilan välillä lähellä maata tapahtuvan muuntumisen avulla.

Mutta tämän tyyppisen manööverin saavuttaminen ei ole helppoa; se on haaste suunnittelun, mallinnuksen ja ohjauksen näkökulmasta. 

Manööveri ei ainoastaan vaadi lisääntynyttä vääntömomenttia kestääkseen työntövoimat johdonmukaisesti, vaan se myös tuo uusia dynaamisia kytkentöjä toimilaitteiden rajoitusten ja robotin vapausasteiden välillä. Autonominen lähellä maata tapahtuva ilmailu on jo tunnettu haastava ongelma maaston aerodynamiikan vaikutusten vuoksi. Lisäksi morphoivan lentämisen ja lähellä maata tapahtuvan muuntumisen aerodynamiikka on suurelta osin tuntematon. 

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi Caltechin tutkijat ovat suunnitelleet Aerially Transforming Morphobot (ATMO) -järjestelmän erityisesti ilmassa tapahtuvan muuntumisen ongelman ratkaisemiseksi.

ATMO:n sisällä: Todellisen maailman muuntajarobotti selitettynä

Julkaistu Communications Engineering -lehdessä, tutkimus, jota tukee Caltechin Center for Autonomous Systems and Technologies -keskuksen rahoitus, käsittelee ilmassa tapahtuvan muuntumisen haasteita Morphoboteille suunnittelemalla lentävä‑ajava robotti nimeltä ATMO.

Tämä robotti on erikoistunut ilmassa tapahtuvaan muuntumiseen morphomekanismin avulla, joka mahdollistaa kehon muodon muuttamisen lennossa minimaalisella toimilaitteiden käytöllä.

Se käyttää neljää potkuria lentämiseen, kun taas potkureita suojaavat suojat muuttuvat järjestelmän pyöriksi vaihtoehtoisessa ajoasennossa. Koko muuntuminen perustuu yhteen moottoriin, joka liikuttaa keskusnivelä, työntäen potkurit ylös drone‑tilaan tai alas ajotilaan.

Uusi robottijärjestelmä on inspiroitunut luonnosta, ja pääkirjoittaja Ioannis Mandralis, Caltechin ilmailun jatko-opiskelija, havainnollistaa, miten linnut lentävät ja säätävät kehon morfologiaa hidastaakseen itseään ja välttääkseen esteitä. 

“Kyky muuntua ilmassa avaa monia mahdollisuuksia parannetulle autonomialle ja kestävyydelle.”

– Mandralis

Ja vaikka linnun näkeminen laskeutuvan ja juoksevan vaikuttaakin melko yksinkertaiselta, se ei ole.

“Todellisuudessa tämä on ongelma, jonka ilmailualan on kamppaillut ratkaista yli 50 vuoden ajan,” sanoi Mory Gharib, Hans W. Liepmann -professori ilmailu- ja lääketieteellisessä tekniikassa sekä Caltechin Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) -keskuksen johtaja ja Booth‑Kresa Leadership -tuolin haltija, jossa tutkijat tekevät yhteistyötä drone‑tutkimuksen, autonomisen tutkimuksen ja bio‑inspiroitujen järjestelmien edistämiseksi.

Kaikkien lentävien ajoneuvojen on käsiteltävä monimutkaisia voimia lähellä maata. 

Helikopterien tapauksessa, kun ne laskeutuvat, niiden potkurit työntävät paljon ilmaa alaspäin. Tässä nostovoima ja työntövoima tulevat pyörivistä roottoreista. Kun ilmavirta osuu maahan, osa siitä kiertää takaisin ylös. Jos helikopteri laskeutuu liian nopeasti, se voi imeytyä tähän ilmavorteksiin ja menettää nostovoimansa.

Kun kyse on ATMO:sta, asiat monimutkaistuvat entisestään, koska sen on otettava huomioon lähellä maata vaikuttavat voimat samalla kun neljä suihkua muuttavat jatkuvasti suuntaustaan toisiaan kohti. Tämä luo enemmän turbulenssia ja siten epävakautta.

Saadakseen paremman käsityksen aerodynaamisesta voimasta, insinöörit suorittivat kokeita CAST:n drone‑laboratoriossa.

Tutkiakseen, miten robotin kokoonpanon muuttaminen laskeutumisen aikana vaikuttaa sen työntövoimaan, tiimi suoritti kuormituskenno‑kokeita, joissa mitataan kohteeseen kohdistuvaa voimaa kuormituskennoa käyttäen, laite, joka muuntaa mekaanisen voiman sähköiseksi signaaliksi.

Tutkijat suorittivat myös savun visualisointikokeita, joilla tehdään ilmavirtauksen kuviot näkyviksi, selvittääkseen taustalla olevan tilanteen, joka johtaa näihin dynamiikan muutoksiin.

Kun tiedot kerättiin, ne syötettiin algoritmiin, joka ohjaa uutta ATOM:lle luotua ohjausjärjestelmää.

Tämä järjestelmä hyödyntää edistynyttä ohjaustekniikkaa, jota kutsutaan mallipohjaiseksi ennakoivaksi ohjaukseksi, ja joka jatkuvasti ennustaa järjestelmän käyttäytymistä lähitulevaisuudessa ja säätää toimintaansa pysyäkseen oikealla kurssilla.

According to Mandralis:

“Ohjausalgoritmi on tämän paperin suurin innovaatio. Quadrotorit käyttävät erityisiä ohjaimia niiden potkurien sijoittelun ja lentotavan vuoksi. Tässä esittelemme dynaamisen järjestelmän, jota ei ole aiemmin tutkittu. Heti kun robotti alkaa morphoida, syntyy erilaisia dynaamisia kytkentöjä — erilaisia voimia, jotka vaikuttavat toisiinsa. Ohjausjärjestelmän on pystyttävä reagoimaan nopeasti kaikkeen tähän.”

ATMO:n testaus: Miten insinöörit vahvistivat ilmassa tapahtuvan muuntumisen

Caltechin insinöörit ovat saaneet ATMO:n toteuttamaan sekä ajo- että lentotoimintoja kaksikäyttöisten lisäosien avulla muodonmuutoksen kautta. Mutta mikä erottaa ATMO:n muista tällaisista roboteista, on ‘itselukitseva kallistus‑toimilaite‑mekanismi’, joka mahdollistaa ilmassa tapahtuvan muuntumisen yksinkertaisemmalla rakenteella, alhaisemmilla kustannuksilla ja minimaalisilla toimilaitteiden vaatimuksilla.

Lentotilassa robotti on konfiguroitu tavalliseksi quadcopteriksi ja käyttää pyörä‑potkuri‑lisäosia työntövoiman tuottamiseen. Ajotilassa samat lisäosat hyödynnetään pyörä‑liikkumiseen. 

Tuloksena syntynyt kompakti robotti painaa yhteensä 5,5 kg, mikä sisältää myös akun. Mittojen osalta robotti on 33 cm korkea ja 30 cm leveä maassa, ja 16 cm korkea ja 65 cm leveä ilmassa.

Ajamiseen ATMO käyttää kahta hihna‑hammasratas‑järjestelmää kummallakin puolella, joita ohjaavat ajomoottorit, mahdollistaen differentiaalisen ohjauksen.

Lisäksi robotissa on tietokone, joka suorittaa räätälöidyn ohjaimen, sekä sisäiset anturit tilan arviointiin ja fuusioon. Kaikki viestintä tapahtuu kehittyneen ROS2‑ohjelmiston kautta. 

Järjestelmän vahvistamiseksi ohjainta sovellettiin dynaamiseen pyörälaskuun CAST:n lentokentällä käyttäen liikkeenkaappausjärjestelmää tilan arviointiin.

Tässä kokeessa ohjainta käytettiin seuraamaan avaruudellista referenssikaaria, joka koostui laskusta eteenpäin suuntautuvalla liikkeellä, samalla kun pyörä‑potkurit kallistettiin, laskeuduttiin pyörillä ja jatkettiin eteenpäin ajamista.

Mallipohjainen ohjauskaava on kehitetty kattamaan koko operatiivinen paketti lentämisestä, ajamisesta ja siirtymisestä. Aktuaattorin kyllästymisongelman ratkaisemiseksi, joka syntyy, kun robotti kallistaa potkureitaan laskeutuakseen pyörille, tiimi “käytti ohjaustavoitteen funktion hajottamista konveksiksi yhdistelmäksi erikoistuneista tavoitefunktioista kullekin liikkumistilalle.”

Tämä tarjosi joustavan kehyksen järjestelmien ohjaamiseen maasta ilmaan siirtymisen aikana.

Kehitetty ohjain mahdollisti laskeutumiset, joissa kallistuskulma ylitti aktuaattorin kyllästymisrajat. Tämä antaa uudelle robotille mahdollisuuden ylittää epätasainen maasto. 

Lopullisella laskeutumiskallistuskulmalla 65° robotti osoitti, että se pystyy onnistuneesti laskeutumaan kulmassa, joka ylittää kriittisen kulman. Tutkimuksen mukaan tämä saavutettiin, koska kustannusfunktio muuttui siirtymävaiheen aikana, ja näin ATMO pystyi jatkamaan pyörä‑potkurien kallistamista halutun asennon säilyttämiseksi. 

Ohjausmenetelmän vahvistamiseksi tiimi suoritti ajolähtömanööverin, jota seurasi dynaaminen pyörälasku.

He esittelivät myös tärkeän käyttötapauksen ilmassa tapahtuvasta muuntumisesta, käänteisenä manööverinä, joka koostui nopeasta lähtöstä yhdessä eteenpäin ajavasta liikkeestä, sekä laskeutumisesta rinteelle.

Kokeessa ATMO pystyi tasaisesti laskeutumaan tunnetun korkeuden ja sijainnin rinteelle, mikä voi olla vaarallista kaatumisriskin vuoksi, ja tämä voidaan välttää muuntamalla ennen laskeutumista ja jatkamalla ajoa. 

Kokonaisuudessaan näiden robottien toiminnan ja elinkelpoisuuden kokeellinen vahvistaminen osoittaa, että “ilmassa tapahtuvan robottimuuntumisen käyttö voi johtaa dynaamisiin maalla‑ilmassa siirtymämanööveihin, jotka parantavat robotin ketteryyttä ja laajentavat toiminta‑aluetta – raivaten tietä suuremmalle autonomialle tulevaisuuden mobiileissa robottitehtävissä,” totesi tutkimus.

Vaikka tiimi on onnistuneesti demonstroinut dynaamisia siirtymämanööverejä, olosuhteet olivat hallittuja nopean kehityksen mahdollistamiseksi. Esimerkiksi liikkeenkaappaus‑kamerajärjestelmää käytettiin tarkkaan ja nopeaan robotin sijainnin ja asennon arviointiin, mikä ylittää nykyisten sisäisten antureiden saavutukset.

Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan selvittää, miten nämä manööverit toimivat todellisessa maailmassa, jossa robotit kohtaavat monimutkaisempaa, rakenteetonta maastoa ja tekevät päätöksiä osittaisten anturitietojen perusteella, jotka ovat alttiita kohinalle.

 Sijoittaminen robotiikkaan: Miksi Amazon (AMZN) erottuu

Kun puhutaan merkittävästä nimestä robotiikka‑alalla, e‑kaupan jättiläinen Amazon (AMZN ) on tehnyt täällä paljon edistysaskeleita. Johtaa robotiikkaa, Amazon hankki ensimmäisenä Kiva Systemsin vuonna 2012 775 miljoonan dollarilla, joka myöhemmin uudelleennimettiin Amazon Robotics LLC:ksi. Yritys esitteli sitten ensimmäisen ikinä autonomisen mobiilirobotin (AMR) nimeltä Proteus vuonna 2022.

Amazon (AMZN ) 

Maaliskuun 2025 alussa Amazon raportoi, että sen toimissa on käytössä yli 750 000 robottia, jotka lajittelevat, nostavat ja kuljettavat paketteja. 

“Vuosien innovaatiot ovat mahdollistaneet meille tämän ainutlaatuisen, vahvasti integroidun robotiikkajärjestelmän rakentamisen, testaamisen ja skaalaamisen, joka tukee työntekijöitä täyttäessään asiakkaiden tilauksia.”

– Scott Dresser, Amazon Roboticsin varapuheenjohtaja

Hänen mukaansa tekoälyn edistysaskeleet ovat mahdollistaneet niiden saumattoman integroinnin, mikä tuo noin 25 % tuottavuusparannuksen täyttökeskuksiin.

Robotteja on yhteensä yhdeksän. Näihin kuuluu Proteus, Amazonin oma autonominen mobiilirobotti, joka on suunniteltu toimimaan ihmisten ympärillä antureiden ja AI‑ ja ML‑järjestelmien yhdistelmän avulla. 

Robin on robottikäsivarsi, joka vastaa pakettien lajittelusta ja on suorittanut yli kolme miljardia pakettisiirtoa. Toinen robottikäsivarsi on Cardinal, joka laittaa paketteja koriin. Sparrow on myös robottikäsivarsi, joka poimii ja siirtää yksittäisiä kohteita.

Sequoia käyttää robotiikkaa, tekoälyä ja konenäköjärjestelmiä varaston yhdistämiseen. Hercules löytää ja tuo työntekijöille esinepalkkeja, ja Titan tekee saman, mutta pystyy nostamaan kaksinkertaisesti enemmän kuin Hercules. Sitten on Vulcan, Amazonin ensimmäinen robotti, jolla on tuntoaisti ja joka työskentelee työntekijöiden rinnalla. 

Lisäksi erilaisia pakkausinnovaatiota käyttävät järjestelmät pakkaavat asiakastilaukset, ja Packaging Automation -kone luo mittatilaustyönä paperipusseja.

Amazonilla on nyt markkina‑arvo 2,18 triljoonaa dollaria, ja osakkeet kaupataan 205,8 dollaria, mikä on 6,24 % alhaisempi vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 6,13, P/E (TTM) 33,55 ja ROE (TTM) 25,24 %.

Taloudellisesta näkökulmasta Amazon raportoi nettomyynnin 155,7 miljardia dollaria ensimmäisellä 2025 maaliskuuta päättyneellä neljänneksellä. Myynti kasvoi 8 % YoY Pohjois-Amerikassa 92,9 miljardia dollaria ja 5 % YoY kansainvälisesti 33,5 miljardia dollaria.

Tällä ajanjaksolla Amazon raportoi liiketoiminnan tulokseksi 18,4 miljardia dollaria, nettotulokseksi 17,1 miljardia dollaria tai 1,59 dollaria laimennettua osaketta kohden, ja operatiiviseksi kassavirraksi 113,9 miljardia dollaria. Yrityksen vapaa kassavirta laski 25,9 miljardiin dollariin.

“Olemme tyytyväisiä vuoden 2025 alun kehitykseen, erityisesti innovaatiotahtiin ja edistymiseen asiakaskokemusten parantamisessa,” sanoi toimitusjohtaja Andy Jassy, joka totesi, että seuraavan sukupolven Alexa (Alexa+) on “merkittävästi fiksumpi” ja kykenevämpi, uudet Trainium2‑piirit ja Bedrock‑mallin laajennus helpottavat AWS‑asiakkaiden mallien koulutusta ja inferenssiä kustannustehokkaasti, ja ensimmäiset Project Kuiper –satelliitit ovat onnistuneesti laukaistu matalaan kiertorataan tarjoamaan laajaa laajakaistayhteyttä.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista robotiikkayrityksistä.

Viimeisimmät Amazon (AMZN) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Yhteenveto: Miksi ATMO merkitsee uutta aikakautta robotiikassa

Robotiikan maailma hyödyntää bio‑inspiroitua tekniikkaa, ilmassa tapahtuvaa muuntumista ja älykkäitä ohjausjärjestelmiä suunnitellessaan maalla‑ilmassa robotteja, joiden toteuttaminen on ollut haastavaa lisääntyneiden toimilaitteiden vaatimusten vuoksi, jotka voivat lisätä painoa ja heikentää liikkumisen tehokkuutta.

Caltechin insinöörit ovat saavuttaneet tämän ATMO:n avulla, robotin, joka muuntuu lähellä maata sujuvalla siirtymällä ilmasta maahan hyödyntäen lähellä maata tapahtuvaa aerodynamiikkaa ja vakauttaen järjestelmää mallipohjaisella ohjaimella.

ATMO merkitsee keskeistä askelta ilmassa‑ja maassa‑liikkuvuuden välikyvyyn, mikä on vahvistettu lukuisilla kokeellisilla demonstraatioilla. Todellisilla muuntumiskyvyillään robotti osoittaa valtavan potentiaalin uudistaa autonomisia operaatioita eri toimialoilla ja raivaa tietä ketterämmille, kestävämmille ja sopeutuvammille koneille!

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten robotit voivat ottaa mallia luonnosta.

Viitteet:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., & Zhao, J. (2023). Upotettu muodonmuutos morfologisesti sopeutuville roboteille. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}