Des Transformers du Monde Réel ? Les Ingénieurs Conçoivent des Robots qui se Metamorphosent en Plein Air

Le monde de la robotique évolue à un rythme rapide. Des robots ouvriers aux robots humanoïdes plus habiles et capables de mouvements complexes, nous entrons dans une nouvelle ère de la robotique.

Juste le mois dernier, les chercheurs ont créé des robots interactifs qui agissent comme des chevaux de thérapie, en répondant aux émotions humaines ; un robot doux mais intelligent qui se déplace et saisit des objets en percevant son environnement, comme un poulpe; et un robot-chien qui imite les mammifères pour une mobilité supérieure sur terre et dans l’eau.

Les ingénieurs ont même inventé un muscle auto-réparateur pour les robots qui peuvent détecter les blessures, les guérir, puis se réinitialiser pour détecter les dommages futurs. La capacité de contrôler les robots à distance tout en ressentant l’interaction au bout des doigts a également été introduite.

Au milieu de tout cela, une équipe d’ingénieurs a maintenant développé un véritable Transformer qui peut changer de forme en plein air. Cette transformation en plein air permet au robot de rouler sans effort et de commencer ses opérations au sol sans pause.

Avec cette capacité, les ingénieurs de Caltech ont surmonté le défi avec des robots spécialisés qui peuvent conduire et voler sans s’enliser dans les terrains difficiles. La flexibilité accrue de ces robots peut être particulièrement bénéfique pour les explorateurs robotiques et les livraisons.

Pourquoi les Robots Terrestres et Aériens Luttent dans les Environnements du Monde Réel

Le mouvement terrestre-aérien efficace est crucial pour une large gamme d’applications robotiques ; cependant, ni les robots terrestres ni les robots aériens ne sont encore capables de fonctionner de manière fiable dans le monde réel.

Alors que les robots terrestres sont limités par leur gamme de fonctionnement, ce qui les empêche de se déplacer au-dessus d’obstacles élevés ou d’effectuer des tâches d’inspection, les robots aériens sont confrontés au problème de la performance limitée de la batterie en raison des exigences de charge utile et des préoccupations de sécurité lorsqu’ils volent dans un environnement urbain.

Ces défis auxquels sont confrontés les systèmes autonomes d’aujourd’hui peuvent être surmontés en combinant les capacités aériennes et terrestres. Par conséquent, l’objectif de l’équipe d’ingénieurs de Caltech est de développer des robots terrestres-aériens.

Les conceptions de nombreux de ces robots tendent à dépendre de la philosophie de la redondance et de l’utilisation de plusieurs actionneurs pour répondre à leurs exigences de mouvement bi-modales.

Cependant, ces conceptions de robots redondants utilisent souvent plus d’actionneurs et de composants qu’il n’est nécessaire, ce qui entraîne une augmentation du poids et du coût.

Ici, les morphobots ou les robots qui réutilisent les mêmes appendices pour différentes tâches via un changement de forme peuvent générer différents modes de locomotion tout en diminuant à la fois la complexité du système et le poids.

Ces types de conceptions de robots s’inspirent souvent des comportements de locomotion multi-fonctionnels des animaux et sont censés améliorer l’efficacité des robots mobiles autonomes qui doivent faire face à des environnements changeants et non structurés.

Par exemple, une étude menée par des chercheurs de l’Université d’État du Colorado il y a quelques années a présenté¹ un schéma de morphing de forme intégré pour les systèmes robotiques adaptatifs morphologiquement.

Les chercheurs ont développé trois robots qui peuvent changer la forme de leurs jambes et de leurs corps selon les besoins pour se déplacer dans des terrains difficiles. Ces systèmes ont été conçus pour imiter la façon dont les organismes biologiques, tels que les grenouilles, adaptent leur forme en fonction de leur environnement et de leur cycle de vie. Pour développer ces robots, les chercheurs ont utilisé des matériaux qui peuvent devenir mous ou rigides avec des changements de température et se déplacer sans systèmes d’alimentation encombrants.

Son schéma de morphing intégré a utilisé un muscle artificiel léger, similaire à un muscle humain, qui se contracte lorsqu’il est stimulé par l’électricité, permettant aux chercheurs d’obtenir une variété de types de formes et les rendant plus polyvalents et mieux équipés pour naviguer dans des environnements difficiles.

Les recherches récentes ont utilisé des appendices multi-fonctionnels et des changements de forme du corps pour améliorer le mouvement, permettant des manœuvres qui n’étaient pas possibles auparavant. Mais une capacité des morphobots qui n’a pas été beaucoup étudiée est leur changement de forme en plein air pour améliorer à la fois le mouvement terrestre et aérien.

Cela peut fournir aux morphobots la capacité de contourner la nécessité d’interaction entre le véhicule et le sol pendant la transformation.

Le changement en plein air peut offrir un chemin fiable vers l’agilité comportementale et la sécurité de la mission dans des scénarios où la morphologie au sol peut ne pas être possible en raison de terrains difficiles qui obstruent le mouvement des appendices du robot.

Ainsi, les ingénieurs de Caltech ont présenté leur étude, qui visualise une manœuvre de transition aérienne qui relie le vol et la conduite.

Cette manœuvre est appelée l’atterrissage dynamique sur roue, où l’objectif est d’avoir une transition en douceur du vol à la conduite en se transformant près du sol et en atterrissant sur des appendices roue-propulseur à double usage avec un angle d’inclinaison le plus grand possible, tout en accomplissant la vitesse d’impact souhaitée.

Contrairement aux manœuvres d’atterrissage de quadrirotor conventionnelles, dans lesquelles le robot atterrit généralement par descente verticale non transformante, la manœuvre présentée dans l’étude implique un morpho-transition, qui signifie passer d’un mode à l’autre via un morphing près du sol.

Mais atteindre ce type de manœuvre n’est pas une tâche facile ; c’est plutôt un défi du point de vue de la conception, de la modélisation et du contrôle.

Non seulement la manœuvre nécessite-t-elle un couple accru pour résister aux forces de propulsion de manière constante, mais elle introduit également de nouvelles liaisons dynamiques entre les limites des actionneurs et les degrés de liberté du robot.

L’opération aérienne autonome près du sol est déjà un problème connu difficile en raison des effets de l’aérodynamique du sol. En plus de cela, l’aérodynamique du vol et de la transformation près du sol sont en grande partie inconnues.

Pour relever ces défis, les chercheurs de Caltech ont conçu le Morphobot Aérien Transformable (ATMO) spécifiquement pour résoudre le problème de la transformation en plein air.

À l’intérieur d’ATMO : Le Robot Transformer du Monde Réel Expliqué

Publié dans la revue Communications Engineering, l’étude , soutenue par un financement du Center for Autonomous Systems and Technologies de Caltech, aborde le défi de la transformation aérienne pour les Morphobots en concevant un robot volant-conducteur appelé ATMO.

Ce robot est spécialisé pour la transformation en plein air grâce à un mécanisme de morphing qui permet de changer la forme du corps en plein vol tout en nécessitant une action minimale.

Il utilise quatre propulseurs pour voler tandis que les carénages qui protègent les propulseurs deviennent les roues du système dans une configuration de conduite alternative. Cette transformation complète repose sur un seul moteur pour déplacer une articulation centrale, qui pousse les propulseurs vers le haut en mode drone ou vers le bas en mode conduite.

Le nouveau système robotique est inspiré de la nature, le principal auteur Ioannis Mandralis, un étudiant diplômé en aérospatiale à Caltech, illustrant comment les oiseaux volent et ajustent leur morphologie corporelle pour ralentir et éviter les obstacles.

“Avoir la capacité de se transformer en plein air débloque beaucoup de possibilités pour une autonomie et une robustesse améliorées.”

– Mandralis

Et tandis que voir un oiseau atterrir et courir semble assez simple, ce n’est pas le cas.

“En réalité, c’est un problème avec lequel l’industrie aéronautique lutte probablement depuis plus de 50 ans”, a déclaré Mory Gharib, le professeur Hans W. Liepmann d’aéronautique et de génie biomédical et directeur et président du Booth-Kresa Leadership Chair du Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) de Caltech, où les chercheurs collaborent pour faire progresser la recherche sur les drones, l’exploration autonome et les systèmes bio-inspirés.

Tous les véhicules volants doivent faire face à des forces compliquées près du sol.

Dans le cas des hélicoptères, lorsqu’ils atterrissent, leurs propulseurs poussent beaucoup d’air vers le bas. Ici, la portance et la propulsion sont fournies par les rotors tournants. Lorsque l’écoulement d’air frappe le sol, une partie de celui-ci circule vers le haut. Ainsi, si l’hélicoptère descend trop rapidement, il peut être aspiré dans ce vortex d’air et perdre sa portance.

Lorsqu’il s’agit d’ATMO, les choses deviennent encore plus compliquées car il doit faire face aux forces près du sol tout en ayant quatre jets qui changent continuellement l’étendue à laquelle ils sont dirigés les uns vers les autres. Cela crée plus de turbulence et, à son tour, d’instabilité.

Afin de mieux comprendre la force aérodynamique, les ingénieurs ont mené des expériences dans le laboratoire de drones du CAST.

Pour étudier comment la modification de la configuration du robot pendant l’atterrissage affecte sa force de propulsion, l’équipe a mené des expériences de cellule de charge, qui consistent à mesurer la force appliquée à un objet à l’aide d’une cellule de charge, un dispositif qui convertit la force mécanique en signal électrique.

Les chercheurs ont également mené des expériences de visualisation de fumée, qui sont utilisées pour rendre les modèles d’écoulement d’air visibles, pour découvrir la situation sous-jacente qui conduit à ces changements de dynamique.

Une fois ces connaissances recueillies, elles ont ensuite été intégrées dans l’algorithme derrière le nouveau système de contrôle que les chercheurs ont créé pour ATMO.

Ce système utilise une technique de contrôle avancée appelée contrôle prédictif de modèle, qui prédit constamment la façon dont le système se comportera dans le proche avenir, puis ajuste ses actions pour rester sur la bonne voie.

Selon Mandralis :

“L’algorithme de contrôle est la plus grande innovation dans cet article. Les quadrirotors utilisent des contrôleurs particuliers en raison de la façon dont leurs propulseurs sont placés et de la façon dont ils volent. Ici, nous introduisons un système dynamique qui n’a pas été étudié auparavant. Dès que le robot commence à se morpher, vous obtenez des liaisons dynamiques différentes – des forces différentes interagissant les unes avec les autres. Et le système de contrôle doit être en mesure de répondre rapidement à tout cela.”

Test d’ATMO : Comment les Ingénieurs ont Validé la Transformation en Plein Air

L’ATMO des ingénieurs de Caltech a réussi à la fois à conduire et à voler en utilisant les appendices à double usage grâce au changement de forme. Mais ce qui distingue ATMO des autres robots de ce type est le mécanisme d’actionneur d’inclinaison auto-verrouillant qui permet la transformation en plein air avec une conception plus simple, un coût plus faible et des exigences d’action minimales.

Lorsqu’il est en mode vol, le robot est configuré comme un quadrirotor standard et utilise ses attaches roue-propulseur pour la propulsion. En mode conduite, ces mêmes appendices sont réutilisés pour la locomotion sur roues.

Le robot compact résultant a un poids total de 5,5 kg, qui inclut la batterie. En ce qui concerne ses dimensions, le robot mesure 33 cm de hauteur et 30 cm de largeur en configuration au sol et 16 cm de hauteur et 65 cm de largeur en configuration aérienne.

Pour la conduite, ATMO utilise deux systèmes de poulie et de courroie situés de chaque côté, qui sont actionnés par des moteurs de conduite, permettant une direction à roues différentielles.

En plus d’avoir un ordinateur embarqué qui exécute un contrôleur personnalisé, le robot est également équipé de capteurs embarqués pour l’estimation et la fusion d’état. Toute la communication est réalisée via le logiciel avancé ROS2.

Pour valider le système, le contrôleur a été appliqué à un atterrissage dynamique sur roue dans la zone de vol du CAST en utilisant un système de capture de mouvement pour permettre l’estimation de l’état.

Dans cette expérience, le contrôleur a été utilisé pour suivre une trajectoire de référence dans l’espace qui comprenait une descente avec un mouvement vers l’avant tout en inclinant les roues-propulseurs, atterrissant sur les roues, puis conduisant vers l’avant.

Le schéma de contrôle basé sur le modèle est développé pour couvrir l’ensemble du package opérationnel de vol, de conduite et de transition. Pour résoudre le problème de saturation de l’actionneur qui se produit lorsque le robot incline ses propulseurs pour atterrir sur les roues, l’équipe a “utilisé une décomposition de la fonction d’objectif de contrôle en une combinaison convexe de fonctions d’objectif spécialisées pour chaque mode de locomotion”.

Cela a fourni un cadre flexible pour contrôler les systèmes pendant la transition du sol à l’air.

Le contrôleur développé a permis des atterrissages avec des angles d’inclinaison au-delà des limites de saturation de l’actionneur. Cela permet au nouveau robot de franchir des terrains accidentés.

Avec un angle d’inclinaison final à l’atterrissage de 65°, le robot a démontré qu’il est capable d’atterrir à un angle d’inclinaison qui dépasse l’angle critique. Cela, note l’étude, est réalisé grâce au changement de la fonction de coût pendant la phase de transition, et par conséquent, ATMO peut continuer à incliner ses roues-propulseurs tout en maintenant l’attitude souhaitée.

Pour valider la méthode de contrôle, l’équipe a effectué un décollage en conduite, suivi d’un atterrissage dynamique sur roue.

Ils ont également présenté un cas d’utilisation important de la transformation en plein air, une manœuvre inverse consistant en un décollage rapide et un mouvement de conduite vers l’avant, ainsi qu’un atterrissage sur une pente.

Dans l’expérience, ATMO a pu atterrir en douceur sur une pente de hauteur et de position connues, ce qui peut être dangereux en raison du risque de basculement, et peut être évité en se transformant avant l’atterrissage, puis en continuant à conduire.

Dans l’ensemble, la validation expérimentale du fonctionnement et de la viabilité de ces robots montre que “l’utilisation de la transformation robotique en plein air peut entraîner des manœuvres de transition terrestre-aérienne dynamiques qui améliorent l’agilité du robot et élargissent la gamme opérationnelle – ouvrant la voie à une plus grande autonomie dans les missions robotiques mobiles futures”, note l’étude.

Alors que l’équipe a réussi à démontrer des manœuvres de transition dynamiques, les conditions ici étaient contrôlées pour faciliter un développement rapide. Par exemple, un système de caméra de capture de mouvement a été utilisé pour estimer avec précision et rapidité la position et l’orientation du système robotique, dépassant ce qui peut être réalisé par les capteurs embarqués existants.

Il est donc nécessaire de mener une enquête plus approfondie pour déterminer comment ces manœuvres fonctionnent dans le monde réel, où les robots doivent faire face à des terrains plus complexes et non structurés et prendre des décisions sur la base d’informations de capteur partielles, qui sont sujettes au bruit.

Investir dans la Robotique : Pourquoi Amazon (AMZN) se Démarque

Lorsqu’il s’agit d’un nom important dans l’industrie de la robotique, le géant du commerce électronique Amazon (AMZN ) a réalisé de nombreux progrès dans ce domaine. Pour diriger la robotique, Amazon a tout d’abord acquis Kiva Systems en 2012 pour 775 millions de dollars, qui a été rebaptisé Amazon Robotics LLC. L’entreprise a ensuite présenté son premier robot mobile autonome (AMR) appelé Proteus en 2022.

Amazon (AMZN )

Au 31 mai 2025, Amazon rapporte avoir plus de 750 000 robots déployés dans ses opérations qui trient, soulèvent et transportent des colis.

“Des années d’innovation nous ont permis de construire, de tester et de mettre à l’échelle cet ensemble unique de systèmes de robotique hautement intégrés qui soutiennent les employés dans le traitement des commandes des clients.”

– Scott Dresser, Vice-président d’Amazon Robotics

Selon lui, les progrès de l’intelligence artificielle ont permis leur intégration transparente, ce qui entraîne une amélioration de la productivité estimée à 25 % dans ses installations de traitement.

Il y a un total de neuf robots. Cela inclut Proteus, le robot mobile autonome propriétaire d’Amazon conçu pour travailler autour des personnes en utilisant des capteurs et un mélange de systèmes basés sur l’IA et l’apprentissage automatique.

Robin est un bras robotique responsable du tri des colis et a réussi à effectuer plus de trois milliards de déplacements de colis. Un autre bras robotique est Cardinal, qui place les colis dans des chariots. Sparrow est également un bras robotique qui prend et déplace des articles individuels.

Sequoia utilise la robotique, l’IA et les systèmes de vision par ordinateur pour consolider l’inventaire. Hercules trouve et amène des pods d’articles aux employés, avec Titan également chargé de le faire, mais avec la capacité de soulever deux fois plus que Hercules. Ensuite, il y a Vulcan, qui est le premier robot d’Amazon avec un sens du toucher qui travaille aux côtés des employés.

De plus, divers systèmes d’innovation d’emballage sont utilisés pour emballer les commandes des clients, avec une machine d’automatisation d’emballage utilisée pour créer des sacs en papier sur mesure.

Amazon compte désormais une capitalisation boursière de 2 180 milliards de dollars, avec ses actions cotées à 205,8 dollars à ce jour, en baisse de 6,24 % depuis le début de l’année. Il a un BPA (TTM) de 6,13, un ratio cours/bénéfice (TTM) de 33,55 et un ROE (TTM) de 25,24 %.

En ce qui concerne les finances, Amazon a rapporté des ventes nettes de 155,7 milliards de dollars au premier trimestre clos le 31 mars 2025. Les ventes ont augmenté de 8 % par an en Amérique du Nord à 92,9 milliards de dollars et de 5 % par an à l’échelle internationale à 33,5 milliards de dollars.

Pour cette période, Amazon a rapporté un revenu d’exploitation de 18,4 milliards de dollars, un bénéfice net de 17,1 milliards de dollars ou 1,59 dollar par action diluée, et un flux de trésorerie d’exploitation de 113,9 milliards de dollars. Le flux de trésorerie disponible de l’entreprise a diminué à 25,9 milliards de dollars.

“Nous sommes satisfaits du début de l’année 2025, en particulier du rythme de l’innovation et des progrès réalisés pour continuer à améliorer les expériences client”, a déclaré le PDG Andy Jassy, qui a noté que la nouvelle Alexa (Alexa+) est devenue “significativement plus intelligente” ainsi que plus capable, les nouveaux processeurs Trainium2 et l’expansion du modèle Bedrock facilitent aux clients d’AWS de former des modèles et d’exécuter l’inférence de manière économique, et les premiers satellites du projet Kuiper ont été lancés avec succès en orbite terrestre basse pour fournir un accès à large bande aux masses.

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Dernières Actualités et Développements sur les Actions Amazon (AMZN)

Conclusion : Pourquoi ATMO Marque une Nouvelle Ère dans la Robotique

Le monde de la robotique exploite l’ingénierie bio-inspirée, la transformation en plein air et les systèmes de contrôle intelligents pour concevoir des robots terrestres-aériens qui ont été difficiles en raison des exigences d’action accrues, qui peuvent ajouter du poids et réduire l’efficacité de leur locomotion.

Les ingénieurs de Caltech ont réalisé cela grâce à ATMO, un robot qui se transforme près du sol avec une transition en douceur entre les modes aérien et terrestre en exploitant l’aérodynamique près du sol et en stabilisant le système à l’aide d’un contrôleur prédictif de modèle.

ATMO marque une étape clé dans le franchissement du fossé entre la mobilité aérienne et terrestre, ce qui est validé par de nombreuses démonstrations expérimentales. Avec ses capacités de transformation du monde réel, le robot montre un énorme potentiel pour redéfinir les opérations autonomes dans diverses industries et ouvrir la voie à des machines plus agiles, plus résilientes et plus adaptables !

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Études Référencées :

^{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}