Transformateurs du monde réel ? Des ingénieurs créent des robots qui se métamorphosent en plein vol

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

Le mois dernier seulement, des chercheurs ont créé des robots interactifs qui agissent comme des chevaux de thérapie, répondant aux émotions humaines; un robot souple mais intelligent qui se déplace et saisit des objets en percevant son environnement, à l’instar d’une pieuvre; and a chien robotique 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 une blessure, la guérir, puis se réinitialiser pour détecter de futurs dommages. La capacité de contrôler les robots à distance tout en ressentant l’interaction au bout des doigts a également été introduite.

Dans tout cela, une équipe d’ingénieurs a maintenant développé un véritable Transformer capable de changer de forme en plein vol. Cette transformation en plein air permet au robot de rouler sans effort puis de lancer ses opérations au sol sans interruption. 

Grâce à cette capacité, les ingénieurs de Caltech ont surmonté le défi avec des robots spécialisés capables à la fois de rouler et de voler sans se coincer dans un terrain accidenté. La flexibilité accrue de ces robots peut être particulièrement bénéfique pour les explorateurs robotiques et les livraisons.

Pourquoi les robots terrestres et aériens peinent dans les environnements réels

Un déplacement efficace combinant sol et air est crucial pour un large éventail 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 champ d’action, ce qui les empêche de franchir des 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 en milieu urbain.

Ces défis auxquels les systèmes autonomes d’aujourd’hui sont confrontés peuvent être surmontés en combinant les capacités aériennes et terrestres. Ainsi, l’équipe d’ingénieurs de Caltech se concentre sur le développement de robots sol‑air.

Les conceptions de nombreux robots de ce type ont tendance à s’appuyer sur la philosophie de redondance et l’utilisation de multiples actionneurs pour répondre à leurs exigences de déplacement bimodal.

Ces conceptions redondantes de robots, cependant, utilisent souvent plus d’actionneurs et de composants que nécessaire, entraînant une augmentation du poids et du coût.

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

Ces types de conceptions de robots s’inspirent souvent des comportements de locomotion multifonctionnels des animaux et devraient améliorer l’efficacité des robots autonomes mobiles qui doivent affronter des environnements changeants et non structurés.

Par exemple, une étude menée il y a quelques années par des chercheurs de l’Université d’État du Colorado présentée¹ un schéma d’implantation de morphologie adaptative pour les systèmes robotiques.

Les chercheurs ont développé trois robots capables de modifier leurs pattes et leur corps selon les besoins pour traverser un terrain difficile. Ces systèmes ont été conçus pour imiter la façon dont les organismes biologiques, comme 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 pouvant devenir souples ou rigides avec les variations de température et se déplacer sans systèmes d’alimentation encombrants.

Son schéma de morphing intégré utilisait un muscle artificiel léger, semblable à un muscle humain, qui se contracte lorsqu’une tension électrique est appliquée, permettant aux chercheurs d’obtenir une variété de formes et les rendant plus polyvalents et mieux équipés pour naviguer dans des environnements difficiles. 

Des recherches récentes ont utilisé des appendices multifonctionnels et des changements de forme du corps pour améliorer le déplacement, permettant des manœuvres auparavant impossibles. Mais une capacité des morphobots qui n’a pas été étudiée autant est leur métamorphose en plein air pour améliorer à la fois le déplacement terrestre et aérien.

Cela peut offrir aux morphobots la capacité de contourner la nécessité d’interaction avec un véhicule terrestre pendant la transformation. 

Le changement en plein air peut offrir une voie fiable vers l’agilité comportementale et la sécurité des missions dans les scénarios où le morphing au sol n’est pas possible en raison d’un terrain accidenté qui bloque le mouvement au sol des appendices du robot.

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

Cette manœuvre s’appelle l’atterrissage dynamique sur roues, où l’objectif est d’assurer une transition fluide du vol à la conduite en se transformant près du sol et en atterrissant sur des appendices à la fois roues et propulseurs, avec une configuration de conduite aussi proche que possible, ce qui signifie l’angle d’inclinaison maximal, tout en atteignant la vitesse d’impact souhaitée. 

Contrairement aux manœuvres d’atterrissage conventionnelles des quadrirotors, où le robot atterrit généralement par une descente verticale sans transformation, la manœuvre présentée dans l’étude implique une morpho‑transition, c’est‑à‑dire un passage entre deux modes via un morphing près du sol.

Mais réaliser 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 un couple accru pour résister constamment aux forces de poussée, mais elle introduit également de nouveaux couplages 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 et difficile en raison des effets de l’aérodynamique du sol. De plus, l’aérodynamique du vol en morphing et de la transformation près du sol reste largement inconnue. 

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

À l’intérieur d’ATMO : le robot transformateur du monde réel expliqué

Publié dans la revue Communications Engineering, létude, soutenue par le 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‑conduisant appelé ATMO.

Ce robot est spécialisé pour la transformation en plein vol 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 protégeant les propulseurs deviennent les roues du système dans une configuration de conduite alternative. Toute la transformation repose sur un seul moteur qui déplace une articulation centrale, poussant les propulseurs vers le haut en mode drone ou vers le bas en mode conduite.

Le nouveau système robotique s’inspire de la nature, le premier auteur Ioannis Mandralis, 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 dans les airs ouvre de nombreuses possibilités pour améliorer l’autonomie et la robustesse. »

– Mandralis

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

« En réalité, c’est un problème que l’industrie aérospatiale lutte à résoudre depuis probablement plus de 50 ans, » a déclaré Mory Gharib, professeur Hans W. Liepmann d’aéronautique et d’ingénierie médicale ainsi que directeur et titulaire de la chaire de leadership Booth‑Kresa 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 poussée sont fournies par les rotors en rotation. Lorsque le flux d’air frappe le sol, une partie remonte. Ainsi, si l’hélicoptère descend trop rapidement, il peut être aspiré dans ce vortex d’air et perdre sa portance.

En ce qui concerne ATMO, les choses deviennent encore plus compliquées car il doit faire face aux forces proches du sol tout en disposant de quatre jets qui modifient continuellement l’angle de leurs tirs les uns vers les autres. Cela crée davantage de turbulence et, par conséquent, de l’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 poussée, l’équipe a réalisé des expériences avec des cellules 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 réalisé des expériences de visualisation de fumée, utilisées pour rendre visibles les flux d’air, afin de découvrir la situation sous-jacente qui conduit à ces changements dynamiques.

Une fois recueillies, les informations ont été intégrées à l’algorithme du nouveau système de contrôle que les chercheurs ont créé pour ATOM.

Ce système utilise une technique de contrôle avancée appelée contrôle prédictif basé sur le modèle, qui prédit constamment le comportement du système dans un avenir proche puis ajuste ses actions pour rester sur la bonne voie.

Selon Mandralis:

« L’algorithme de contrôle est la plus grande innovation de cet article. Les quadrirotors utilisent des contrôleurs particuliers en raison de la disposition de leurs propulseurs et de leur mode de vol. Ici, nous introduisons un système dynamique qui n’a jamais été étudié auparavant. Dès que le robot commence à se métamorphoser, on obtient différents couplages dynamiques — des forces différentes interagissant entre elles. Et le système de contrôle doit pouvoir 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 accompli à la fois la conduite et le vol en utilisant les appendices à double usage grâce au changement de forme. Mais ce qui distingue l’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 moindre et des exigences d’actionnement minimales.

En mode vol, le robot est configuré comme un quadricoptère standard et utilise ses attachés roue‑propulseur pour la propulsion. En mode conduite, ces mêmes appendices sont réutilisés pour la locomotion à roues. 

Le robot compact ainsi obtenu pèse au total 5,5 kg, batterie comprise. En ce qui concerne ses dimensions, le robot mesure 33 cm de haut et 30 cm de large en configuration terrestre et 16 cm de haut et 65 cm de large en configuration aérienne.

Pour la conduite, l’ATMO utilise deux systèmes courroie‑poulie situés de chaque côté, actionnés par des moteurs de conduite, permettant une direction à entraînement différentiel.

En plus d’un ordinateur embarqué exécutant un contrôleur personnalisé, le robot est également équipé de capteurs embarqués pour l’estimation et la fusion d’état. Toutes les communications sont réalisées via le logiciel avancé ROS2. 

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

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

Le schéma de contrôle basé sur le modèle a été développé pour couvrir l’ensemble du package opérationnel de vol, de conduite et de transition. Pour résoudre le problème de saturation des actionneurs qui survient 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 dépassant les limites de saturation des actionneurs. Cela permet au nouveau robot de franchir un terrain accidenté. 

Avec un angle d’inclinaison final à l’atterrissage de 65°, le robot a démontré qu’il pouvait atterrir avec succès à un angle d’inclinaison dépassant l’angle critique. Cette performance, selon l’étude, est obtenue grâce au changement de la fonction de coût pendant la phase de transition, et, en conséquence, l’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 roues.

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

Dans l’expérience, l’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 cela peut être évité en se transformant avant l’atterrissage, puis en poursuivant la conduite.

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 dynamique sol‑air qui améliorent l’agilité du robot et élargissent la portée opérationnelle — ouvrant la voie à une plus grande autonomie dans les futures missions robotiques mobiles, » a noté l’étude.

Bien que l’équipe ait démontré avec succès des manœuvres de transition dynamique, les conditions étaient contrôlées pour faciliter le 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 que les capteurs embarqués existants peuvent réaliser.

Ainsi, des investigations supplémentaires sont nécessaires pour déterminer comment ces manœuvres fonctionnent dans le monde réel, où les robots doivent affronter un terrain plus complexe et non structuré et prendre des décisions basées sur des informations partielles des capteurs, sujettes au bruit.

Investir dans la robotique : pourquoi Amazon (AMZN) se démarque

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

Amazon (AMZN ) 

En mai 2025, Amazon déclare disposer de plus de 750 000 robots déployés dans ses opérations qui trient, soulèvent et transportent des colis. 

« Des années d’innovation nous ont permis de concevoir, tester et déployer cette suite unique et hautement intégrée de systèmes robotiques qui soutiennent les employés dans l’exécution des commandes clients. »

– Scott Dresser, vice‑président d’Amazon Robotics

Selon lui, les avancées en IA ont permis leur intégration transparente, ce qui entraîne une amélioration estimée de 25 % de la productivité dans ses centres de distribution.

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 le ML. 

Robin est un bras robotique responsable du tri des colis et a réalisé avec succès plus de trois milliards de mouvements de colis. Un autre bras robotique est Cardinal, qui place les colis dans des chariots. Sparrow est également un bras robotique qui saisit et déplace des articles individuels.

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

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

Amazon affiche désormais une capitalisation boursière de 2,18 trillions de dollars, ses actions s’échangeant à 205,8 $ à la rédaction, en baisse de 6,24 % depuis le début de l’année. Elle possède un BPA (TTM) de 6,13, un PER (TTM) de 33,55 et un ROE (TTM) de 25,24 %.

En ce qui concerne les finances, Amazon a déclaré un chiffre d’affaires net de 155,7 milliards de dollars au premier trimestre clôturé le 31 mars 2025. Les ventes ont augmenté de 8 % en glissement annuel en Amérique du Nord pour atteindre 92,9 milliards de dollars et de 5 % à l’international pour 33,5 milliards de dollars.

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

« Nous sommes satisfaits du début de 2025, notamment de notre rythme d’innovation et de progrès dans l’amélioration continue de l’expérience client, » a déclaré le PDG Andy Jassy, qui a souligné que la prochaine génération d’Alexa (Alexa+) devient « nettement plus intelligente » et plus performante, que les nouveaux puces Trainium2 et l’expansion du modèle Bedrock facilitent l’entraînement de modèles et l’exécution d’inférences de manière rentable pour les clients AWS, et que les premiers satellites du projet Kuiper ont été lancés avec succès en orbite terrestre basse pour fournir un accès haut débit à grande échelle.

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Dernières nouvelles et développements sur l’action 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 sol‑air qui ont été difficiles à réaliser en raison des exigences accrues d’actionnement, pouvant ajouter du poids et réduire l’efficacité de leur locomotion.

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

L’ATMO représente une étape clé pour combler le fossé entre la mobilité aérienne et terrestre, validée par de nombreuses démonstrations expérimentales. Grâce à ses capacités de transformation dans le monde réel, le robot montre un énorme potentiel pour redéfinir les opérations autonomes dans tous les secteurs et ouvrir la voie à des machines plus agiles, résilientes et adaptatives !

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Études citées :

^{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}