Echte Transformers? Ingenieurs maken bots die in de lucht transformeren

De wereld van robotica ontwikkelt zich in een rap tempo. Van werkrobots tot humanoïde robots die behendiger zijn en complexe bewegingen kunnen uitvoeren, betreden we een nieuw tijdperk van robotica. 

Alleen afgelopen maand hebben onderzoekers interactieve robots die zich gedragen als therapiehazen, die reageren op menselijke emoties; een zachte maar slimme robot die beweegt en objecten grijpt door zijn omgeving te voelen, net als een octopus; en een robotische hond die zoogdieren nabootst voor superieure mobiliteit op zowel land als in water.

Ingenieurs hebben zelfs een zelfherstellende spier voor robots ontwikkeld die letsel kunnen detecteren, genezen, en vervolgens resetten om toekomstige schade te detecteren. Het vermogen om robots op afstand te besturen terwijl ze de interactie aan de vingertoppen voelen, is ook geïntroduceerd.

Te midden van dit alles heeft een team van ingenieurs nu een echte Transformer ontwikkeld die zijn vorm kan veranderen terwijl hij in de lucht is. Deze transformatie in de lucht stelt de robot in staat om moeiteloos weg te rollen en vervolgens zonder onderbreking zijn operaties op de grond te starten. 

Met deze mogelijkheid hebben Caltech-ingenieurs de uitdaging overwonnen met gespecialiseerde robots die zowel kunnen rijden als vliegen zonder vast te komen zitten in ruw terrein. De verbeterde flexibiliteit van deze robots kan vooral voordelig zijn voor robotverkenners en leveringen.

Waarom grond- en luchtrobots worstelen in echte omgevingen

Effectieve grond‑luchtbeweging is cruciaal voor een breed scala aan robottoepassingen; echter zijn noch grond‑noch luchtrobots nog in staat om betrouwbaar te opereren in de echte wereld. 

Terwijl grondrobots beperkt worden door hun operationele bereik, waardoor het onmogelijk is voor hen om over hoge obstakels te bewegen of inspectietaken uit te voeren, hebben luchtrobots het probleem van beperkte batterijprestaties door payloadvereisten en veiligheidszorgen bij het vliegen in een stedelijke omgeving.

Deze uitdagingen waarmee autonome systemen van vandaag worden geconfronteerd, kunnen worden overwonnen door lucht‑ en terrestrische mogelijkheden te combineren. Daarom richt het Caltech‑team van ingenieurs zich op de ontwikkeling van grond‑luchtrobots.

De ontwerpen van veel van dergelijke robots neigen naar de filosofie van redundantie en het gebruik van meerdere actuatoren om te voldoen aan hun bimodale bewegingsvereisten.

Deze redundante robotontwerpen gebruiken echter vaak meer actuatoren en componenten dan nodig, wat leidt tot een verhoogd gewicht en kosten.

Hier kunnen morphobots of robots die dezelfde aanhangsels voor verschillende taken hergebruiken via vormverandering verschillende voortstuwingsmodi genereren terwijl zowel de systeemcomplexiteit als het gewicht afnemen.

Dit soort robotontwerpen laten zich vaak inspireren door de multifunctionele locomotiegedragingen van dieren en worden verwacht de efficiëntie van mobiele autonome robots die zich moeten aanpassen aan veranderende, ongestructureerde omgevingen te verhogen.

Bijvoorbeeld, een studie van onderzoekers van Colorado State University van een paar jaar geleden presenteerde¹ een geïntegreerd vorm‑morphingschema voor morfologisch adaptieve robotsystemen.

De onderzoekers ontwikkelden drie robots die hun poten en lichamen kunnen morfen naar behoefte om door moeilijk terrein te bewegen. Deze systemen waren ontworpen om de manier na te bootsen waarop biologische organismen, zoals kikkers, hun vorm aanpassen afhankelijk van hun omgeving en levenscyclus. Om deze robots te ontwikkelen, gebruikten de onderzoekers materialen die zacht of stijf kunnen worden bij temperatuurveranderingen en bewegen zonder omvangrijke energiesystemen.

Het geïntegreerde morphingschema maakte gebruik van een lichtgewicht kunstmatige spier, vergelijkbaar met een menselijke spier, die samentrekt wanneer elektriciteit wordt toegepast, waardoor de onderzoekers een verscheidenheid aan vormtypes konden realiseren en de robots veelzijdiger en beter uitgerust maken om moeilijke omgevingen te navigeren.

Recente onderzoeken hebben multifunctionele aanhangsels en lichaamsvormveranderingen gebruikt om de beweging te verbeteren, waardoor manoeuvres mogelijk werden die eerder niet mogelijk waren. Maar één vermogen van morphobots dat minder bestudeerd is, is hun vormverandering in de lucht om zowel grond‑ als luchtbeweging te verbeteren.

Dit kan morphobots de mogelijkheid geven om de noodzaak van interactie met een grondvoertuig tijdens de transformatie te omzeilen.

De verandering in de lucht kan een betrouwbare weg bieden naar gedragsagiliteit en missieveiligheid in scenario’s waarin grondmorphing niet mogelijk is vanwege ruw terrein dat de grondbeweging van de robotbeugels belemmert.

Dus presenteerden de Caltech‑ingenieurs hun studie, die een luchttransitiemanœuvre visualiseert die vliegen en rijden verbindt.

Deze manoeuvre wordt dynamische wiellanding genoemd, waarbij het doel is een soepele overgang van vliegen naar rijden te hebben door nabij de grond te transformeren en te landen op dual‑purpose wiel‑ en stuwkrachtbeugels met een zo dicht mogelijk bij een rijconfiguratie, wat de grootste mogelijke kantelhoek betekent, terwijl de gewenste impact‑snelheid wordt bereikt. 

In tegenstelling tot de conventionele quadrotor‑landingsmanoeuvres, waarbij de robot doorgaans verticaal en zonder transformatie landt, omvat de in de studie gepresenteerde manoeuvre morfo‑transitie, wat betekent dat er tussen twee modi wordt geschoven via nabij‑grond morphing.

Maar het realiseren van dit soort manoeuvre is geen gemakkelijke taak; het is eerder een uitdaging vanuit ontwerp‑, modelleer‑ en regelingsperspectief. 

Niet alleen vereist de manoeuvre een verhoogd koppel om de stuwkracht consequent te weerstaan, maar het introduceert ook nieuwe dynamische koppelingen tussen actuatorenlimieten en de vrijheidsgraden van de robot. Autonome nabij‑grond luchtoperaties zijn al een bekend uitdagend probleem vanwege de effecten van grond‑aerodynamica. Daarbovenop zijn de aerodynamica van morphende vlucht en nabij‑grond transformatie grotendeels onbekend.

Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben Caltech‑onderzoekers de Aerially Transforming Morphobot (ATMO) specifiek ontworpen om het probleem van transformatie in de lucht op te lossen.

Binnen ATMO: De echte transformer‑robot uitgelegd

Gepubliceerd in het tijdschrift Communications Engineering, de studie, ondersteund door financiering van het Center for Autonomous Systems and Technologies van Caltech, behandelt de uitdaging van luchttransformatie voor Morphobots door een vliegend‑rijdend robot te ontwerpen genaamd ATMO.

Deze robot is gespecialiseerd in transformatie in de lucht via een morphingsmechanisme dat het mogelijk maakt de lichaamsvorm tijdens de vlucht te veranderen met minimale actuatie.

Hij gebruikt vier stuwkrachtmotoren om te vliegen terwijl de afschermingen die de stuwkrachtmotoren beschermen de wielen van het systeem worden in een alternatieve rijconfiguratie. Deze volledige transformatie berust op één motor die een centraal gewricht beweegt, waardoor de stuwkrachtmotoren omhoog worden geduwd naar drone‑modus of omlaag naar rij‑modus.

Het nieuwe robotsysteem is geïnspireerd door de natuur, met hoofd auteur Ioannis Mandralis, een promovendus in de lucht‑ en ruimtevaart aan Caltech, die illustreert hoe vogels vliegen en hun lichaamsmorfologie aanpassen om te vertragen en obstakels te vermijden. 

“Het vermogen om in de lucht te transformeren opent veel mogelijkheden voor verbeterde autonomie en robuustheid.”

– Mandralis

En hoewel het zien van een vogel die landt en rent vrij simpel lijkt, is het dat niet.

“In werkelijkheid is dit een probleem waarmee de lucht‑ en ruimtevaartindustrie al meer dan 50 jaar worstelt,” zei Mory Gharib, de Hans W. Liepmann Professor of Aeronautics and Medical Engineering en directeur en Booth‑Kresa Leadership Chair van Caltech’s Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), waar onderzoekers samenwerken aan de vooruitgang van drone‑onderzoek, autonome verkenning en bio‑geïnspireerde systemen.

Alle vliegende voertuigen moeten omgaan met ingewikkelde krachten dicht bij de grond. 

In het geval van helikopters, wanneer ze voor een landing komen, duwen hun stuwkrachtmotoren veel lucht naar beneden. Hier wordt lift en stuwkracht geleverd door de draaiende rotoren. Wanneer de luchtstroom de grond raakt, circuleert een deel ervan terug omhoog. Dus, als de helikopter te snel daalt, kan hij in deze luchtwerveling worden gezogen en zijn lift verliezen.

Bij ATMO wordt het nog ingewikkelder omdat hij moet omgaan met krachten nabij de grond terwijl hij vier jets heeft die continu de mate veranderen waarin ze naar elkaar schieten. Dit creëert meer turbulentie en daardoor instabiliteit.

Om een beter begrip te krijgen van de aerodynamische kracht, voerden de ingenieurs experimenten uit in het drone‑lab van CAST.

Om te onderzoeken hoe het wijzigen van de configuratie van de robot tijdens de landing de stuwkracht beïnvloedt, voerde het team load cell‑experimenten uit, waarbij de kracht die op een object wordt uitgeoefend wordt gemeten met een load cell, een apparaat dat mechanische kracht omzet in een elektrisch signaal.

De onderzoekers voerden ook rookvisualisatie‑experimenten uit, die worden gebruikt om luchtstroompatronen zichtbaar te maken, om de onderliggende situatie te ontdekken die leidt tot deze dynamische veranderingen.

Zodra de inzichten waren verzameld, werden ze ingevoerd in het algoritme achter het nieuwe regelsysteem dat de onderzoekers voor ATOM hebben gecreëerd.

Dit systeem maakt gebruik van een geavanceerde regeltechniek genaamd model predictive control, die voortdurend voorspelt hoe het systeem zich in de nabije toekomst zal gedragen en vervolgens zijn acties aanpast om op koers te blijven.

According to Mandralis:

“Het regelalgoritme is de grootste innovatie in dit artikel. Quadrotors gebruiken specifieke controllers vanwege de plaatsing van hun stuwkrachtmotoren en hoe ze vliegen. Hier introduceren we een dynamisch systeem dat nog niet eerder bestudeerd is. Zodra de robot begint te morphen, ontstaan er verschillende dynamische koppelingen — verschillende krachten die met elkaar interageren. En het regelsysteem moet in staat zijn snel op al dit te reageren.”

Testen van ATMO: Hoe ingenieurs de transformatie in de lucht valideerden

De ATMO van Caltech‑ingenieurs heeft zowel rijden als vliegen bereikt via de dual‑purpose aanhangsels door vormverandering. Maar wat ATMO onderscheidt van andere dergelijke robots is het ‘self‑locking tilt actuator mechanism’ dat transformatie in de lucht mogelijk maakt met een eenvoudiger ontwerp, lagere kosten en minimale actuatie‑eisen.

In de vluchtmodus is de robot geconfigureerd als een standaard quadcopter en gebruikt hij zijn wiel‑stuwkrachtbeugels voor voortstuwing. In de rijmodus worden precies dezelfde aanhangsels hergebruikt voor wielbeweging. 

De resulterende compacte robot weegt in totaal 5,5 kg, inclusief de batterij. Wat de afmetingen betreft, is de robot 33 cm hoog en 30 cm breed in grondconfiguratie en 16 cm hoog en 65 cm breed in luchtconfiguratie.

Voor het rijden gebruikt ATMO twee riem‑tandwielsystemen aan beide zijden, die worden aangedreven door aandrijfmotoren, waardoor differentiële besturing mogelijk is.

Naast een aan boord zijnde computer die een aangepaste controller draait, is de robot uitgerust met sensoren aan boord voor toestandschatting en fusie. Alle communicatie gebeurt via de geavanceerde software ROS2. 

Om het systeem te valideren, werd de controller toegepast op een dynamische wiellanding in het CAST‑vlieggebied met behulp van een motion capture‑systeem om toestandschatting mogelijk te maken.

In dit experiment werd de controller gebruikt om een referentietraject in de ruimte te volgen dat bestond uit een daling met enige voorwaartse beweging terwijl de wiel‑stuwkrachtbeugels werden gekanteld, landden op de wielen, en vervolgens vooruit reden.

Het modelgebaseerde regelschema is ontwikkeld om het volledige operationele pakket van vliegen, rijden en transitie te dekken. Om het probleem van actuatorverzadiging aan te pakken dat optreedt wanneer de robot zijn stuwkrachtmotoren kantelt om op wielen te landen, gebruikte het team “een ontbinding van de regeldoelfunctie in een convexe combinatie van gespecialiseerde doelstellingen voor elke voortstuwingsmodus.”

Dit bood een flexibel kader voor het besturen van de systemen tijdens de transitie van grond naar lucht.

De ontwikkelde controller maakte landingen mogelijk met kantelhoeken die de limieten van actuatorverzadiging overschreden. Dit stelt de nieuwe robot in staat om hobbelig terrein te overwinnen.

Met een uiteindelijke kantelhoek bij landing van 65° toonde de robot aan dat hij succesvol kon landen met een kantelhoek die de kritieke hoek overschrijdt. Volgens de studie werd dit bereikt door de wijziging van de kostfunctie tijdens de transitie‑fase, waardoor ATMO zijn wiel‑stuwkrachtbeugels kan blijven kantelen terwijl de gewenste houding behouden blijft.

Om de regelmethode te valideren, voerde het team een start‑en‑landingsmanoeuvre uit, gevolgd door een dynamische wiellanding.

Ze toonden ook een belangrijk gebruiksgeval van transformatie in de lucht, een inverse manoeuvre bestaande uit een snelle start met voorwaartse rijbeweging, naast een landing op een helling.

In het experiment kon ATMO soepel landen op een helling met bekende hoogte en positie, die gevaarlijk kan zijn vanwege het risico op omvallen, en dit kan worden vermeden door voorafgaand aan de landing te transformeren en vervolgens door te rijden. 

Over het algemeen toont de experimentele validatie van de werking en levensvatbaarheid van deze robots aan dat “het gebruik van transformatie in de lucht kan resulteren in dynamische grond‑lucht transitiemanœuvres die de robotagiliteit verbeteren en het operationele bereik uitbreiden – de weg effenend voor grotere autonomie in toekomstige mobiele robotmissies,” aldus de studie.

Hoewel het team met succes dynamische transitiemanœuvres heeft gedemonstreerd, waren de omstandigheden hier gecontroleerd om snelle ontwikkeling te faciliteren. Bijvoorbeeld, een motion‑capture‑camerasysteem werd gebruikt om de positie en oriëntatie van het robotsysteem nauwkeurig en snel te schatten, wat beter is dan wat met bestaande aan boord sensoren kan worden bereikt.

Dus, verder onderzoek is nodig om te bepalen hoe deze manoeuvres werken in de echte wereld, waar robots geconfronteerd worden met complexer, ongestructureerd terrein en beslissingen moeten nemen op basis van gedeeltelijke sensorinformatie, die onderhevig is aan ruis.

Investeren in robotica: Waarom Amazon (AMZN) opvalt

Als het gaat om een prominente naam in de robotica‑industrie, heeft de e‑commercegigant Amazon (AMZN ) hier veel vooruitgang geboekt. Om robotica te leiden, verwierf Amazon in 2012 Kiva Systems voor $775 miljoen, later hernoemd tot Amazon Robotics LLC. Het bedrijf onthulde vervolgens in 2022 zijn allereerste autonome mobiele robot (AMR) genaamd Proteus.

Amazon (AMZN ) 

Vanaf mei 2025 rapporteert dat het meer dan 750.000 robots heeft ingezet in haar operaties die pakketten sorteren, tillen en vervoeren. 

“Jaren van innovatie hebben ons in staat gesteld deze unieke, sterk geïntegreerde suite van robotsystemen te bouwen, te testen en op te schalen die werknemers ondersteunen bij het vervullen van klantorders.”

– Scott Dresser, Vice President van Amazon Robotics

Volgens hem hebben vooruitgangen in AI hun naadloze integratie mogelijk gemaakt, wat een geschatte productiviteitsverbetering van 25% oplevert in de fulfilmentcentra.

Er zijn in totaal negen robots. Dit omvat Proteus, Amazon’s eigen autonome mobiele robot die ontworpen is om rond mensen te werken met behulp van sensoren en een mix van AI‑gebaseerde en ML‑systemen. 

Robin is een robotarm die verantwoordelijk is voor het sorteren van pakketten en heeft met succes meer dan drie miljard pakketbewegingen voltooid. Een andere robotarm is Cardinal, die pakketten in karren plaatst. Sparrow is ook een robotarm die individuele items oppakt en verplaatst.

Sequoia gebruikt robotica, AI en computersystemen voor beeldherkenning om de voorraad te consolideren. Hercules vindt en brengt pods met items naar werknemers, met Titan die hetzelfde doet, maar met de mogelijkheid om twee keer zoveel te tillen als Hercules. Dan is er Vulcan, Amazon’s eerste robot met een gevoel van aanraking die samenwerkt met werknemers. 

Bovendien worden diverse verpakkingsinnovatiesystemen gebruikt om klantorders te verpakken, met een Packaging Automation‑machine die op maat gemaakte papieren zakken produceert.

Amazon heeft nu een marktkapitalisatie van $2,18 biljoen, met een aandelenkoers van $205,8 op het moment van schrijven, een daling van 6,24% jaar‑tot‑datum. Het heeft een EPS (TTM) van 6,13, een P/E (TTM) van 33,55, en een ROE (TTM) van 25,24%.

Wat de financiële cijfers betreft, rapporteerde Amazon een netto‑omzet van $155,7 miljard in het eerste kwartaal eindigend op 31 maart 2025. De omzet steeg 8% jaar‑op‑jaar in Noord‑Amerika tot $92,9 miljard en 5% jaar‑op‑jaar internationaal tot $33,5 miljard.

Voor deze periode rapporteerde Amazon een operationele winst van $18,4 miljard, een netto‑winst van $17,1 miljard of $1,59 per verwaterde aandeel, en een operationele cash‑flow van $113,9 miljard. De vrije cash‑flow van het bedrijf daalde tot $25,9 miljard.

“We zijn tevreden met de start van 2025, vooral ons tempo van innovatie en vooruitgang in het blijven verbeteren van de klantervaring,” zei CEO Andy Jassy, die opmerkte dat de volgende‑generatie Alexa (Alexa+) “betekenisvol slimmer” wordt evenals capabeler, nieuwe Trainium2‑chips en de uitbreiding van Bedrock‑modellen het voor AWS‑klanten gemakkelijker maken om modellen te trainen en inferentie kosteneffectief uit te voeren, en de eerste Project Kuiper‑satellieten succesvol in een lage aardbaan werden gelanceerd om massale breedbandtoegang te bieden.

Klik hier voor een lijst van top robotica bedrijven.

Laatste Amazon (AMZN) aandelennieuws en ontwikkelingen

Conclusie: Waarom ATMO een nieuw tijdperk in robotica markeert

De wereld van robotica maakt gebruik van bio‑geïnspireerde engineering, transformatie in de lucht en intelligente regelsystemen om grond‑luchtrobots te ontwerpen die uitdagend waren vanwege de verhoogde actuatie‑eisen, die gewicht kunnen toevoegen en de efficiëntie van hun voortstuwing kunnen verminderen.

Caltech‑ingenieurs hebben dit bereikt met ATMO, een robot die nabij de grond transformeert met een soepele overgang tussen lucht‑ en grondmodi door gebruik te maken van de aerodynamica nabij de grond en het systeem te stabiliseren met een model‑predictive controller.

ATMO vormt een belangrijke stap in het overbruggen van de kloof tussen lucht‑ en terrestrische mobiliteit, wat wordt gevalideerd door talrijke experimentele demonstraties. Met zijn real‑world transformatievermogen toont de robot een enorm potentieel om autonome operaties in verschillende sectoren te herdefiniëren en de weg te banen voor meer wendbare, veerkrachtige en adaptieve machines!

Klik hier om te leren hoe robots inspiratie uit de natuur kunnen halen.

Gerefereerde studies:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., & Zhao, J. (2023). Ingebedde vormmorphing voor morfologisch adaptieve robots. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}