ロボティクス
実世界のトランスフォーマー？エンジニアが空中で形状を変えるロボットを作成
ロボティクスの世界は急速に進化しています。作業用ロボットから、より器用で複雑な動きが可能なヒューマノイドロボットまで、ロボティクスの新時代に突入しています。
先月だけでも、研究者はインタラクティブロボットを開発しました。これは、人間の感情に反応するセラピーホースのようなロボットで、また、軟体ロボットが開発されました。これは、環境を感知して物体を移動または握ることができるオクトパスのようなロボットです。また、ロボット犬が開発されました。これは、陸上および水中での優れた機動性を実現するために、哺乳動物を模倣しています。
エンジニアは、ロボット用の自己修復筋肉を発明しました。これは、損傷を検出して修復し、将来の損傷を検出できるロボットです。ロボットを遠隔操作して指先で操作感覚を感じる機能も導入されました。
これらの中で、エンジニアのチームは、実際に空中で形状を変えることができるトランスフォーマーロボットを開発しました。この空中変形により、ロボットは円滑に転がり、地上での作業を中断せずに開始できます。
この機能により、カリフォルニア工科大学（Caltech）のエンジニアは、走行と飛行の両方が可能な特殊ロボットを開発し、粗い地形で立ち往生する問題を克服しました。これらのロボットの強化された柔軟性は、ロボット探査機や配送に特に有益です。
地上・空中ロボットが現実世界の環境で苦労する理由
地上・空中の移動は、幅広いロボットアプリケーションに不可欠ですが、現在、地上ロボットと空中ロボットの両方が、信頼性を持って現実世界で動作することができません。
地上ロボットは、作業範囲が限られているため、高い障害物を越えたり、検査タスクを実行したりすることができません。一方、空中ロボットは、ペイロード要件と都市環境での飛行時の安全上の懸念により、バッテリー性能が限られている問題に直面しています。
これらの課題は、空中と地上の能力を組み合わせることで克服できます。したがって、カリフォルニア工科大学のエンジニアチームは、地上・空中ロボットの開発に焦点を当てています。
これらのロボットの多くの設計は、冗長性の哲学と、双方向移動要件を満たすために複数のアクチュエーターを使用することに依存しています。
しかし、これらの冗長なロボット設計は、必要以上にアクチュエーターとコンポーネントを使用することになり、重量とコストが増加する結果になります。
ここで、形状を変えることで異なるタスクに同じ付属物を再利用することができるモルフォボット（morphobots）またはロボットは、システムの複雑さと重量を減らしながら、異なる移動モードを生成できます。
これらのロボット設計は、動物の多機能な移動行動からインスピレーションを得ており、変化する、構造化されていない環境に直面する移動型自律ロボットの有効性を高めることが期待されています。
たとえば、コロラド州立大学の研究者は、数年前に発表1 形状を変えるロボットシステムのための埋め込み形状変形スキームを発表しました。
研究者は、地形を移動するために脚と体を必要に応じて変形することができる3つのロボットを開発しました。これらのシステムは、カエルなどの生物と同様に、環境やライフサイクルに応じて形状を適応させるように設計されました。ロボットの開発には、温度の変化により軟らかくなるか硬くなる材料や、バルキーなパワーシステムなしで動くことができる材料が使用されました。
その埋め込み形状変形スキームは、電気を加えると収縮する軽量の人工筋肉を利用しており、さまざまな形状タイプを実現し、より多機能で、困難な環境を移動する能力を高めています。
最近の研究では、多機能付属物と体の形状変化を使用して運動を改善し、以前に不可能だった動作を可能にしました。しかし、モルフォボットの空中での形状変化を改善する能力はあまり研究されていません。
これにより、モルフォボットは地上車両とのやり取りを必要とせずに、行動の敏捷性とミッションの安全性を提供することができます。特に、ロボットの付属物の地上運動を妨げる粗い地形のシナリオでは、地上での形状変化は不可能になる場合があります。
したがって、カリフォルニア工科大学のエンジニアは、飛行と運転を接続する空中転換マニューバーを視覚化する研究を発表しました。
このマニューバーは、ダイナミックホイールランディングと呼ばれ、地上近くで変形し、可能な限り運転構成に近い状態で、デュアルパーパスのホイールスラスタ付属物に着陸することを目的とします。
従来の四輪ロボットのランディングマニューバーとは異なり、ロボットは垂直方向に非変形降下で着陸します。一方、研究で提示されたマニューバーでは、モルフォトランスションが含まれます。つまり、地上近くで変形してモードを切り替えることです。
しかし、このようなマニューバーを実現することは、設計、モデリング、制御の観点から見ると容易なことではありません。
マニューバーには、スラスト力に対して一貫したトルクが必要であり、さらに、アクチュエーターの制限とロボットの自由度の間の新しい動的結合が導入されます。近接地面での自律運用は、地面空気力学の影響により、既に知られている課題です。
さらに、変形飛行と近接地面変形の空気力学は、ほとんど未知です。
これらの課題に対処するために、カリフォルニア工科大学の研究者は、空中変形の問題を解決するために、空中変形モルフォボット（ATMO）を特に設計しました。
ATMOの内部: 実世界のトランスフォーマーロボットの説明
『Communications Engineering』誌に掲載された研究は、カリフォルニア工科大学の自律システムおよびテクノロジーセンターの資金提供を受けて実施され、モルフォボットの空中変形の課題に対処するために、飛行と運転が可能なロボットであるATMOを設計しました。
このロボットは、最小限のアクチュエーションを必要とする空中での形状変化を可能にするモーフィングメカニズムに特化しています。
飛行中は4つのスラスタを使用し、スラスタを保護するシャラウドは、代替の運転構成でシステムの車輪になります。この変形は、中央ジョイントを動かす単一のモーターに依存しており、スラスタをドローンモードに上げたり、運転モードに下げたりします。
新しいロボットシステムは自然にインスパイアされており、リードオーサーであるIoannis Mandralisは、空中で体の形状を変える鳥の飛行と、障害物を避けるために減速する方法を説明しています。
「空中で変形する能力を持つことは、改善された自律性と堅牢性を提供する多くの可能性を解放します。」
– マンドラリス
そして、鳥が着陸して走るように見えるのは簡単に思えるかもしれませんが、実際にはそうではありません。
「実際には、航空宇宙業界が50年以上にわたって苦労してきた問題です」と、カリフォルニア工科大学の航空工学および医療工学のHans W. Liepmann教授であり、カリフォルニア工科大学の自律システムおよびテクノロジーセンター（CAST）のディレクターおよびブース・クレサリーダーシップチェアであるMory Gharibは述べています。
すべての飛行車両は、地面近くでの複雑な力に直面しています。
ヘリコプターの場合、着陸時にスラスタは大量の空気を下向きに押し出します。ここでは、リフトとスラストは回転ローターによって供給されます。空気流が地面に当たると、ある程度が上方に循環します。したがって、ヘリコプターが急激に下降すると、空気の渦に吸い込まれてリフトを失う可能性があります。
一方、ATMOの場合、状況はさらに複雑になります。なぜなら、4つのジェットが連続して相互に向けて射出される量を変化させているからです。これにより、さらに乱流が生じ、不安定性が生じます。
エンジニアは、CASTのドローンラボでの実験を実施して、近接地面での空気力学的な力をよりよく理解するために、実験を実施しました。
ロボットの構成を着陸中に変更することで、スラスト力にどのような影響が生じるかを調べるために、負荷セル実験を実施しました。負荷セル実験では、負荷セルを使用して物体に加えられた力を測定します。負荷セルは、機械的力を電気信号に変換する装置です。
また、空気流パターンを可視化するために、煙可視化実験を実施しました。
収集された洞察は、研究者がATMO用に作成した新しい制御システムのアルゴリズムにフィードされました。
このシステムでは、未来の近くにシステムがどのように動作するかを予測し、軌道を維持するためにその行動を調整する、先進的な制御技術であるモデル予測制御を使用します。
マンドラリスによると：
「制御アルゴリズムは、この論文で最も重要な革新です。四輪ロボットは、スラスタの配置と飛行方法により、特定のコントローラーを使用します。ここでは、以前研究されていなかったダイナミックシステムを導入します。ロボットが変形を開始すると、異なる力が互いに作用する異なる動的結合が生じます。制御システムはすべてこれに迅速に対応する必要があります。」
ATMOのテスト: エンジニアが空中変形を検証する方法
カリフォルニア工科大学のエンジニアが開発したATMOは、形状を変えることで走行と飛行の両方を実現しました。ATMOと他のロボットの違いは、空中で変形するための「自己ロックティルトアクチュエータメカニズム」が搭載されていることです。これにより、設計が簡素化され、コストが削減され、アクチュエーションの要件が最小限に抑えられます。
飛行モードでは、ロボットは標準的な四輪ロボットとして構成され、ホイールスラスタ付属物を推進に使用します。運転モードでは、これらの付属物は再利用され、車輪式移動に使用されます。
結果として、コンパクトなロボットは、バッテリーを含む総重量5.5kg、地上構成では高さ33cm、幅30cm、空中構成では高さ16cm、幅65cmとなります。
走行の場合、ATMOは両側に配置された2つのベルトプーリーシステムを使用し、走行モーターによって操作され、差動走行ステアリングを可能にします。
さらに、カスタムコントローラーを実行するオンボードコンピューターと、状態推定および融合のためのオンボードセンサーを備えています。すべての通信は、ROS2という高度なソフトウェアを介して実行されます。
システムを検証するために、コントローラーは、モーションキャプチャーシステムを使用して状態推定を可能にするCASTフライトエリアでのダイナミックホイールランディングに適用されました。
この実験では、コントローラーは、下降と前方運動を含む空間の参照トラジェクトリーを追跡し、ホイールスラスタを角度を付けて、車輪に着陸し、前方に走行しました。
モデルベースの制御スキームは、飛行、走行、変形の全操作パッケージをカバーするために開発されました。アクチュエーターサチュレーションの問題に対処するために、ロボットが地面に接地するときにスラスタを傾けることによって発生する、制御目的関数を走行モードごとの専用目的関数の凸結合に分解しました。
これにより、システムの移行中に制御を柔軟に制御するフレームワークが提供されました。
開発されたコントローラーは、アクチュエーターサチュレーション限界を超えたティルト角での着陸を可能にしました。これにより、新しいロボットは、不平坦な地形をクリアできます。
着陸時のティルト角が65°の場合、ロボットは、臨界角度を超えるティルト角で着陸することが成功적으로実証されました。これは、移行フェーズでのコスト関数の変更により、ATMOがティルトホイールスラスタを維持したまま、望ましい姿勢を維持できるためです。
コントロール方法を検証するために、チームは走行からの離陸に続くダイナミックホイールランディングを実施しました。
さらに、空中変形の重要なユースケースである、急速な離陸と前方走行、および斜面への着陸を実証しました。
実験では、ATMOは、転倒のリスクがあるため危険になる可能性のある、既知の高さと位置の斜面にスムーズに着陸することができました。着陸前に変形することで、走行を続けることができます。
全体として、これらのロボットの機能と有効性を実験的に検証することは、「空中ロボット変形を使用することで、ロボットの敏捷性を高め、運用可能な範囲を拡大する、ダイナミックな地上・空中変形マニューバーが実現できることを示しています。これは、将来の移動型ロボットミッションでの自律性の向上を実現するための道を開いています。」と研究では述べられています。
チームは、ダイナミックな移行マニューバーを実証しましたが、条件は、開発を迅速化するために制御されていました。たとえば、ロボットの位置と向きを正確に、迅速に推定するために、モーションキャプチャーカメラシステムが使用されました。これは、既存のオンボードセンサーで実現できるものを超えています。
したがって、ロボットがより複雑で構造化されていない地形に直面し、ノイズのある部分情報に基づいて決定を下す必要がある現実世界で、これらのマニューバーがどのように機能するかを判断するために、さらなる調査が必要です。
ロボティクスへの投資: なぜアマゾン（AMZN）が際立っているのか
ロボティクス業界では、電子商取引の巨人であるアマゾンが多大な進歩を遂げています。ロボティクスを牽引するために、アマゾンは2012年にKiva Systemsを7.75億ドルで買収し、後にアマゾンロボティクスLLCに改称しました。会社は2022年に、初の自律移動ロボット（AMR）であるProteusを発表しました。
アマゾン
2025年5月現在、アマゾンは報告していますが、パッケージを並べ替え、持ち上げ、運ぶために、75万を超えるロボットを運用しています。
「数年の革新により、私たちが従業員が顧客の注文を満たすのを支援するために、ユニークで高度に統合されたロボティクスシステムのスイートを構築、テスト、スケールアップすることができました。」
– スコット・ドレッサー、アマゾンロボティクスの副社長
彼によると、AIの進歩により、これらのロボットのシームレスな統合が可能になり、アマゾンのフルフィルメント施設では約25%の生産性の改善が見られました。
合計9つのロボットがあります。これには、Proteus、アマゾンの独自開発の自律移動ロボットが含まれます。これは、センサーとAIおよびMLシステムの混合を使用して、人間の周りで作業します。
Robinは、パッケージを並べ替えるロボットアームであり、30億以上のパッケージ移動を完了しました。Cardinalは、パッケージをカートに入れる別のロボットアームです。Sparrowは、個々のアイテムをピックアップして移動するロボットアームです。
Sequoiaは、在庫を統合するためにロボティクス、AI、およびコンピュータビジョンシステムを使用します。Herculesは、アイテムのポッドを従業員に運びます。Titanも同様のタスクを実行しますが、Herculesの2倍の重量を持ち上げることができます。さらに、Vulcanは、従業員と協力して作業する感覚を持つアマゾンの最初のロボットです。
さらに、カスタマーオーダーをパッケージ化するためのいくつかのパッケージ化イノベーションシステムが使用されています。パッケージ自動化マシンは、適合した紙袋を作成するために使用されます。
(AMZN )
アマゾンの時価総額は2.18兆ドルで、株価は205.8ドルで、年初来は6.24%下落しています。時価総額（TTM）は6.13、P/E（TTM）は33.55、ROE（TTM）は25.24%です。
財務面では、アマゾンは2025年3月31日終了の第1四半期に1557億ドルの売上高を報告しました。北米では売上高が8%増加して929億ドルとなり、国際では5%増加して335億ドルとなりました。
この期間中、アマゾンは184億ドルの営業利益、171億ドルの純利益、または1株あたり1.59ドルの利益、1139億ドルの営業キャッシュフローを報告しました。会社の自由キャッシュフローは259億ドルに減少しました。
「2025年の開始に満足しています。特に、イノベーションのペースと、顧客体験の改善を続けることへの進歩です」とCEOのアンディ・ジャッシーは述べています。さらに、次世代のAlexa（Alexa+）が「重要な」知能と能力を獲得したこと、Trainium2チップとBedrockモデルの拡大により、AWS顧客がモデルをトレーニングしてコスト効率の良い推論を実行することが容易になったこと、そしてProject Kuiperの最初の衛星が低軌道に成功裏に打ち上げられて、広範なブロードバンドアクセスを提供することについて言及しています。
最新のアマゾン（AMZN）株式ニュースと開発
結論: なぜATMOはロボティクスの新時代を标するのか
ロボティクスの世界は、バイオインスパイアドエンジニアリング、空中変形、およびインテリジェント制御システムを利用して、地上と空中の両方で作業できるロボットを設計していますが、これは、増加したアクチュエーションの要件により、重量が増加し、移動の効率が低下するため、課題でした。
カリフォルニア工科大学のエンジニアは、ATMOを開発し、近接地面でのスムーズな移行により、空中と地上の両方のモード間を変形することに成功しました。
ATMOは、地上と空中のモビリティのギャップを埋める重要なステップを示しており、実験的なデモンストレーションを通じて検証されています。空中で変形する能力により、ロボットは、さまざまな業界で自律作業を再定義し、より敏捷で堅牢で適応性の高いマシンの道を切り開く、巨大な可能性を示しています。
ロボットが自然からヒントを得る方法についてこちらを参照してください。
参考文献:
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
