Transformer del Mondo Reale? Gli Ingegneri Creano Robot Che Si Trasformano in Aria

Il mondo della robotica sta avanzando a un ritmo rapido. Dai robot operativi ai robot umanoidi più agili e capaci di movimenti complessi, stiamo entrando nella nuova era della robotica. 

Solo lo scorso mese, i ricercatori hanno creato robot interattivi che agiscono come cavalli da terapia, rispondendo alle emozioni umane; un robot morbido ma intelligente che si muove e afferra oggetti percependo l’ambiente, proprio come un polpo; e un cane robotico che imita i mammiferi per una mobilità superiore sia sulla terra che in acqua.

Gli ingegneri hanno persino inventato un muscolo auto‑riparante per robot che può rilevare lesioni, guarirle e poi ripristinarsi per rilevare danni futuri. È stata inoltre introdotta la capacità di controllare i robot a distanza percependo l’interazione sulla punta delle dita.

In mezzo a tutto ciò, un team di ingegneri ha ora sviluppato un vero Transformer che può cambiare forma mentre è in aria. Questa trasformazione in aria consente al robot di rotolare via senza sforzo e poi avviare le sue operazioni a terra senza interruzioni. 

Con questa capacità, gli ingegneri della Caltech hanno superato la sfida con robot specializzati che possono sia guidare che volare senza rimanere bloccati su terreni accidentati. L’elasticità migliorata di questi robot può essere particolarmente vantaggiosa per esploratori robotici e consegne.

Perché i Robot Terrestri e Aerei Faticano negli Ambienti Reali

Il movimento efficace tra terra e aria è cruciale per una vasta gamma di applicazioni robotiche; tuttavia, né i robot terrestri né quelli aerei sono ancora in grado di operare in modo affidabile nel mondo reale. 

Mentre i robot terrestri sono limitati dal loro raggio d’azione, il che rende impossibile per loro superare ostacoli alti o eseguire compiti di ispezione, i robot aerei affrontano il problema della limitata durata della batteria a causa dei requisiti di carico utile e delle preoccupazioni di sicurezza quando volano in un contesto urbano.

Queste sfide che i sistemi autonomi odierni affrontano possono essere superate combinando capacità aeree e terrestri. Pertanto, l’attenzione del team di ingegneri della Caltech è rivolta allo sviluppo di robot terra‑aria.

I progetti di molti di questi robot tendono a basarsi sulla filosofia della ridondanza e sull’uso di più attuatori per soddisfare i requisiti di movimento bimodale.

Tuttavia, questi progetti ridondanti spesso finiscono per utilizzare più attuatori e componenti del necessario, con conseguente aumento di peso e costo.

Qui, i morphobot o robot che riutilizzano gli stessi arti per compiti diversi tramite il cambiamento di forma possono generare modalità di locomozione differenti riducendo al contempo la complessità e il peso del sistema.

Questo tipo di progetti robotici spesso si ispira ai comportamenti di locomozione multifunzionali degli animali e si prevede che aumentino l’efficacia dei robot autonomi mobili che devono affrontare ambienti mutevoli e non strutturati.

Ad esempio, uno studio dei ricercatori della Colorado State University di qualche anno fa ha presentato¹ uno schema di morfologia incorporata per sistemi robotici morfologicamente adattivi.

I ricercatori hanno sviluppato tre robot che possono modificare le loro gambe e corpi secondo necessità per muoversi su terreni difficili. Questi sistemi sono stati progettati per imitare il modo in cui gli organismi biologici, come le rane, adattano la loro forma a seconda dell’ambiente e del ciclo di vita. Per sviluppare questi robot, i ricercatori hanno utilizzato materiali che possono diventare morbidi o rigidi con variazioni di temperatura e muoversi senza ingombranti sistemi di alimentazione.

Il suo schema di morfologia incorporata ha utilizzato un muscolo artificiale leggero, simile a quello umano, che si contrae quando viene applicata elettricità, consentendo ai ricercatori di ottenere una varietà di forme e rendendoli più versatili e meglio equipaggiati per navigare ambienti difficili. 

Ricerche recenti hanno utilizzato arti multifunzionali e cambiamenti di forma del corpo per migliorare il movimento, consentendo manovre prima impossibili. Ma una capacità dei morphobot che non è stata studiata tanto è il loro cambiamento di forma in aria per migliorare sia il movimento a terra che quello aereo.

Ciò può fornire ai morphobot la capacità di bypassare la necessità di interazione con veicoli terrestri durante la trasformazione. 

Il cambiamento in aria può offrire un percorso affidabile verso l’agilità comportamentale e la sicurezza della missione in scenari in cui la morfologia a terra potrebbe non essere possibile a causa di terreni accidentati che ostacolano il movimento degli arti del robot.

Quindi, gli ingegneri della Caltech hanno presentato il loro studio, che visualizza una manovra di transizione aerea che collega il volo e la guida.

Questa manovra è chiamata atterraggio dinamico su ruota, dove l’obiettivo è avere una transizione fluida dal volo alla guida trasformandosi vicino al suolo e atterrando su appendici ruota‑reattore a doppio scopo con una configurazione di guida il più possibile, il che significa l’angolo di inclinazione più grande possibile, mantenendo la velocità d’impatto desiderata. 

A differenza delle manovre di atterraggio convenzionali dei quadricotteri, in cui il robot atterra generalmente con una discesa verticale non trasformante, la manovra presentata nello studio coinvolge una morfo‑transizione, cioè lo spostamento tra due modalità tramite morfologia vicino al suolo.

Ma realizzare questo tipo di manovra non è un compito facile; è piuttosto una sfida dal punto di vista del design, della modellazione e del controllo. 

Non solo la manovra richiede una coppia aumentata per resistere costantemente alle forze di spinta, ma introduce anche nuovi accoppiamenti dinamici tra i limiti degli attuatori e i gradi di libertà del robot. L’operazione aerea autonoma vicino al suolo è già un problema noto e impegnativo a causa degli effetti dell’aerodinamica del suolo. Inoltre, l’aerodinamica del volo morfologico e della trasformazione vicino al suolo è in gran parte sconosciuta. 

Per affrontare queste sfide, i ricercatori della Caltech hanno progettato l’Aerially Transforming Morphobot (ATMO) specificamente per risolvere il problema della trasformazione in aria.

Dentro ATMO: Il Robot Transformer del Mondo Reale Spiegato

Pubblicato sulla rivista Communications Engineering, lo studio, supportato da finanziamenti del Center for Autonomous Systems and Technologies della Caltech, affronta la sfida della trasformazione aerea per i Morphobot progettando un robot volante e guidabile chiamato ATMO.

Questo robot è specializzato per la trasformazione in aria tramite un meccanismo di morfologia che consente di cambiare la forma del corpo durante il volo richiedendo un’azione minima.

Utilizza quattro propulsori per volare mentre le coperture che proteggono i propulsori diventano le ruote del sistema in una configurazione di guida alternativa. L’intera trasformazione si basa su un unico motore che muove un giunto centrale, spingendo i propulsori verso l’alto nella modalità drone o verso il basso nella modalità di guida.

Il nuovo sistema robotico è ispirato dalla natura, con l’autore principale Ioannis Mandralis, studente laureato in aerospazio alla Caltech, che illustra come gli uccelli volano e adattano la loro morfologia corporea per rallentare e evitare ostacoli. 

“Avere la capacità di trasformarsi in aria apre molte possibilità per una maggiore autonomia e robustezza.”

– Mandralis

E se vedere un uccello atterrare e correre sembra piuttosto semplice, non lo è.

“In realtà questo è un problema con cui l’industria aerospaziale lotta da probabilmente più di 50 anni,” ha detto Mory Gharib, professore Hans W. Liepmann di Aeronautica e Ingegneria Medica e direttore e presidente Booth‑Kresa del Caltech’s Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), dove i ricercatori collaborano per avanzare la ricerca sui droni, l’esplorazione autonoma e i sistemi bio‑ispirati.

Tutti i veicoli volanti devono affrontare forze complesse vicino al suolo. 

Nel caso degli elicotteri, quando atterrano, i loro propulsori spingono molta aria verso il basso. Qui, la portanza e la spinta sono fornite dai rotori rotanti. Quando il flusso d’aria colpisce il suolo, parte di esso ricircola verso l’alto. Quindi, se l’elicottero scende troppo rapidamente, può essere aspirato in questo vortice d’aria e perdere la portanza.

Per quanto riguarda ATMO, le cose diventano ancora più complicate perché deve affrontare forze vicino al suolo mentre ha quattro getti che cambiano continuamente l’estensione verso cui puntano l’uno verso l’altro. Questo crea più turbolenza e, di conseguenza, instabilità.

Per ottenere una migliore comprensione della forza aerodinamica, gli ingegneri hanno condotto esperimenti nel laboratorio di droni del CAST.

Per investigare come la modifica della configurazione del robot durante l’atterraggio influisca sulla sua forza di spinta, il team ha condotto esperimenti con celle di carico, che consistono nel misurare la forza applicata a un oggetto usando una cella di carico, un dispositivo che converte la forza meccanica in un segnale elettrico.

I ricercatori hanno anche condotto esperimenti di visualizzazione del fumo, usati per rendere visibili i pattern di flusso d’aria, per scoprire la situazione sottostante che porta a questi cambiamenti dinamici.

Una volta raccolte, le intuizioni sono state inserite nell’algoritmo del nuovo sistema di controllo che i ricercatori hanno creato per ATOM.

Questo sistema utilizza una tecnica di controllo avanzata chiamata controllo predittivo basato su modello, che prevede costantemente il comportamento del sistema nel prossimo futuro e poi regola le sue azioni per rimanere sulla buona strada.

According to Mandralis:

“L’algoritmo di controllo è la più grande innovazione in questo articolo. I quadricotteri usano controller particolari a causa della disposizione dei loro propulsori e del loro modo di volare. Qui introduciamo un sistema dinamico che non è stato studiato prima. Non appena il robot inizia a morfarsi, si ottengono diversi accoppiamenti dinamici — forze diverse che interagiscono tra loro. E il sistema di controllo deve essere in grado di rispondere rapidamente a tutto ciò.”

Testare ATMO: Come gli Ingegneri Hanno Validato la Trasformazione in Aria

L’ATMO degli ingegneri della Caltech ha realizzato sia la guida che il volo usando le appendici a doppio scopo tramite il cambiamento di forma. Ma ciò che rende ATMO diverso da altri robot di questo tipo è il ‘meccanismo di attuatore di inclinazione auto‑bloccante’ che consente la trasformazione in aria con un design più semplice, costi inferiori e requisiti di attuazione minimi.

Quando è in modalità volo, il robot è configurato come un quadricottero standard e utilizza le sue appendici ruota‑reattore per la propulsione. In modalità guida, queste stesse appendici vengono riutilizzate per la locomozione su ruote. 

Il robot compatto risultante ha un peso totale di 5,5 kg, che include anche la batteria. Per quanto riguarda le sue dimensioni, il robot è alto 33 cm e largo 30 cm nella configurazione a terra e alto 16 cm e largo 65 cm nella configurazione aerea.

Per la guida, ATMO utilizza due sistemi cinghia‑pulley posizionati su entrambi i lati, azionati da motori di guida, consentendo la sterzata a trazione differenziale.

Oltre a possedere un computer a bordo che esegue un controller personalizzato, il robot è anche dotato di sensori a bordo per la stima dello stato e la fusione. Tutta la comunicazione avviene tramite il software avanzato ROS2. 

Per validare il sistema, il controller è stato applicato a un atterraggio dinamico su ruota nell’area di volo del CAST utilizzando un sistema di motion capture per abilitare la stima dello stato.

In questo esperimento, il controller è stato usato per tracciare una traiettoria di riferimento nello spazio che comprendeva una discesa con un po’ di movimento in avanti mentre si inclinavano le ruote‑reattori, atterrando sulle ruote e poi guidando in avanti.

Lo schema di controllo basato su modello è stato sviluppato per coprire l’intero pacchetto operativo di volo, guida e transizione. Per affrontare il problema di saturazione dell’attuatore che si verifica quando il robot inclina i suoi propulsori per atterrare sulle ruote, il team “ha utilizzato una decomposizione della funzione obiettivo di controllo in una combinazione convessa di funzioni obiettivo specializzate per ciascuna modalità di locomozione.”

Ciò ha fornito un quadro flessibile per controllare i sistemi durante la transizione da terra ad aria.

Il controller sviluppato ha permesso atterraggi con angoli di inclinazione oltre i limiti di saturazione dell’attuatore. Questo consente al nuovo robot di superare terreni accidentati. 

Con un angolo finale di inclinazione all’atterraggio di 65°, il robot ha dimostrato di riuscire con successo ad atterrare con un angolo di inclinazione che supera l’angolo critico. Questo, ha osservato lo studio, è ottenuto grazie al cambiamento nella funzione di costo durante la fase di transizione e, di conseguenza, ATMO può continuare a inclinare le sue ruote‑reattori mantenendo l’assetto desiderato. 

Per validare il metodo di controllo, il team ha eseguito un decollo di guida, seguito da un atterraggio dinamico su ruota.

Hanno anche mostrato un caso d’uso importante della trasformazione in aria, una manovra inversa composta da un rapido decollo insieme a un movimento di guida in avanti, oltre all’atterraggio su una pendenza.

Nell’esperimento, ATMO è stato in grado di atterrare senza problemi su una pendenza di altezza e posizione note, che potrebbe essere pericolosa a causa del rischio di ribaltamento, e può essere evitata trasformandosi prima dell’atterraggio e continuando a guidare. 

Nel complesso, la validazione sperimentale del funzionamento e della fattibilità di questi robot dimostra che “l’uso della trasformazione robotica in aria può portare a manovre di transizione dinamica terra‑aria che migliorano l’agilità del robot e ampliano il raggio operativo – aprendo la strada a una maggiore autonomia nelle future missioni robotiche mobili,” ha osservato lo studio.

Mentre il team ha dimostrato con successo manovre di transizione dinamica, le condizioni qui erano controllate per facilitare uno sviluppo rapido. Per esempio, è stato utilizzato un sistema di telecamere motion capture per stimare con precisione e rapidità la posizione e l’orientamento del sistema robotico, superando ciò che è possibile ottenere con i sensori a bordo esistenti.

Quindi, è necessaria un’ulteriore indagine per determinare come queste manovre funzionino nel mondo reale, dove i robot devono affrontare terreni più complessi e non strutturati e prendere decisioni basate su informazioni sensoriali parziali, soggette a rumore.

Investire nella Robotica: Perché Amazon (AMZN) Si Distinguere

Quando si tratta di un nome di spicco nell’industria della robotica, il gigante dell’e‑commerce Amazon (AMZN ) ha compiuto molti progressi in questo ambito. Per guidare la robotica, Amazon ha prima acquisito Kiva Systems nel 2012 per 775 milioni di dollari, che è stata successivamente rinominata Amazon Robotics LLC. L’azienda ha poi presentato il suo primo robot mobile autonomo (AMR) chiamato Proteus nel 2022.

Amazon (AMZN ) 

A maggio 2025, Amazon riporta di avere più di 750.000 robot distribuiti nelle sue operazioni che ordinano, sollevano e trasportano pacchi. 

“Anni di innovazione ci hanno permesso di costruire, testare e scalare questa suite unica e altamente integrata di sistemi robotici che lavorano per supportare i dipendenti nell’evasione degli ordini dei clienti.”

– Scott Dresser, Vice Presidente di Amazon Robotics

Secondo lui, i progressi nell’IA hanno permesso una loro integrazione senza soluzione di continuità, che genera un miglioramento della produttività stimato al 25% nei suoi centri di evasione.

Ci sono in totale nove robot. Questo include Proteus, il robot mobile autonomo proprietario di Amazon progettato per operare intorno alle persone usando sensori e una combinazione di sistemi basati su IA e ML. 

Robin è un braccio robotico responsabile dell’ordinamento dei pacchi e ha completato con successo più di tre miliardi di spostamenti di pacchi. Un altro braccio robotico è Cardinal, che inserisce i pacchi nei carrelli. Sparrow è anche un braccio robotico che raccoglie e sposta singoli articoli.

Sequoia utilizza robotica, IA e sistemi di visione artificiale per consolidare l’inventario. Hercules trova e porta pod di articoli ai dipendenti, con Titan incaricato di fare lo stesso, ma con la capacità di sollevare il doppio di Hercules. Poi c’è Vulcan, il primo robot di Amazon con senso del tatto che lavora accanto ai dipendenti. 

Inoltre, vengono utilizzati vari sistemi di innovazione per l’imballaggio per confezionare gli ordini dei clienti, con una macchina di Automazione dell’Imballaggio usata per creare sacchetti di carta su misura.

Amazon ora vanta una capitalizzazione di mercato di 2,18 trilioni di dollari, con le sue azioni che scambiano a 205,8 dollari al momento della scrittura, in calo del 6,24% dall’inizio dell’anno. Ha un EPS (TTM) di 6,13, un P/E (TTM) di 33,55 e un ROE (TTM) del 25,24%.

Per quanto riguarda i dati finanziari, Amazon ha riportato vendite nette di 155,7 miliardi di dollari nel primo trimestre chiuso il 31 marzo 2025. Le vendite sono aumentate dell’8% su base annua in Nord America a 92,9 miliardi di dollari e del 5% su base annua a livello internazionale a 33,5 miliardi di dollari.

Per questo periodo, Amazon ha riportato un reddito operativo di 18,4 miliardi di dollari, un reddito netto di 17,1 miliardi di dollari o 1,59 dollari per azione diluita, e un flusso di cassa operativo di 113,9 miliardi di dollari. Il flusso di cassa libero dell’azienda è diminuito a 25,9 miliardi di dollari.

“Siamo soddisfatti dell’inizio del 2025, soprattutto del nostro ritmo di innovazione e dei progressi nel continuare a migliorare le esperienze dei clienti,” ha detto il CEO Andy Jassy, che ha osservato che la prossima generazione di Alexa (Alexa+) sta diventando “significativamente più intelligente” e più capace, i nuovi chip Trainium2 e l’espansione del modello Bedrock rendono più facile per i clienti AWS addestrare modelli e eseguire inferenze in modo economico, e i primi satelliti del Project Kuiper sono stati lanciati con successo in orbita terrestre bassa per fornire accesso a banda larga a massa.

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Conclusione: Perché ATMO Segna una Nuova Era nella Robotica

Il mondo della robotica sta sfruttando l’ingegneria bio‑ispirata, la trasformazione in aria e i sistemi di controllo intelligenti per progettare robot terra‑aria che sono stati difficili a causa dell’aumento delle richieste di attuazione, che possono aggiungere peso e ridurre l’efficienza della loro locomozione.

Gli ingegneri della Caltech hanno raggiunto questo risultato con ATMO, un robot che si trasforma vicino al suolo con una transizione fluida tra le modalità aerea e terrestre sfruttando l’aerodinamica vicino al suolo e stabilizzando il sistema usando un controller predittivo basato su modello.

ATMO rappresenta un passo fondamentale nel colmare il divario tra mobilità aerea e terrestre, convalidato attraverso numerose dimostrazioni sperimentali. Con le sue capacità di trasformazione nel mondo reale, il robot mostra un enorme potenziale nel ridefinire le operazioni autonome in vari settori e nel tracciare la via verso macchine più agili, resilienti e adattabili!

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Studi Citati:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., & Zhao, J. (2023). Morfologia di forma incorporata per robot adattivi morfologicamente. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}