Virkelige transformere? Ingeniører lager roboter som endrer form i luften

Robotverdenen utvikler seg i raskt tempo. Fra arbeidsroboter til humanoide roboter som er mer smidige og i stand til komplekse bevegelser, går vi inn i en ny æra innen robotikk. 

Bare i forrige måned skapte forskere interaktive roboter som oppfører seg som terapihester, som reagerer på menneskelige følelser; en myk men smart robot som beveger seg og griper objekter ved å sanse omgivelsene, lik en blekksprut; og en robotisk hund som etterligner pattedyr for overlegen mobilitet både på land og i vann.

Ingeniører har til og med oppfunnet en selvhelbredende muskel for roboter som kan oppdage skade, reparere den, og deretter tilbakestille for å oppdage fremtidig skade. Evnen til å kontrollere roboter eksternt mens man føler interaksjonen ved fingertuppene, er også blitt introdusert.

Midt i alt dette har et team av ingeniører nå utviklet en ekte Transformer som kan endre form mens den er i luften. Denne midt-i-luften-transformasjonen gjør at roboten kan rulle bort uten anstrengelse og deretter starte sine operasjoner på bakken uten pause. 

Med denne evnen har Caltech-ingeniører overvunnet utfordringen med spesialiserte roboter som både kan kjøre og fly uten å sette seg fast i røft terreng. Den økte fleksibiliteten til disse robotene kan være spesielt gunstig for robotutforskere og leveranser.

Hvorfor jord- og luftroboter sliter i virkelige miljøer

Effektiv jord-luft-bevegelse er avgjørende for en rekke robotapplikasjoner; likevel er verken jord- eller luftroboter ennå i stand til å operere pålitelig i den virkelige verden. 

Mens jordroboter er begrenset av sitt operasjonsområde, noe som gjør det umulig for dem å bevege seg over høye hindringer eller utføre inspeksjonsoppgaver, møter luftroboter problemet med begrenset batteriytelse på grunn av lastkrav og sikkerhetsbekymringer når de flyr i urbane omgivelser.

Disse utfordringene som dagens autonome systemer står overfor kan overvinnes ved å kombinere luft- og jordkapasiteter. Derfor er fokuset til Caltech-teamet av ingeniører på utviklingen av jord-luft-roboter.

Designene til mange slike roboter har en tendens til å basere seg på redundansfilosofien og bruk av flere aktuatorer for å oppfylle deres bimodale bevegelseskrav.

Disse redundante robotdesignene ender imidlertid ofte opp med å bruke flere aktuatorer og komponenter enn nødvendig, noe som fører til økt vekt og kostnad.

Her kan morphoboter eller roboter som gjenbruker de samme vedhengene for ulike oppgaver via formendring generere forskjellige bevegelsesmoduser samtidig som de reduserer både systemkompleksitet og vekt.

Denne typen robotdesign henter ofte inspirasjon fra dyrenes multifunksjonelle bevegelsesadferd og forventes å øke effektiviteten til mobile autonome roboter som må håndtere skiftende, ustrukturerte miljøer.

For eksempel presenterte en studie fra forskere ved Colorado State University for noen år siden presentert¹ et innebygd form-morfingsskjema for morfologisk adaptive robotsystemer.

Forskerne utviklet tre roboter som kan endre ben og kropp etter behov for å bevege seg gjennom vanskelig terreng. Disse systemene ble designet for å etterligne hvordan biologiske organismer, som frosker, tilpasser formen sin avhengig av miljø og livssyklus. For å utvikle disse robotene brukte forskerne materialer som kan bli myke eller stive med temperaturendringer og bevege seg uten klumpete kraftsystemer.

Det innebygde morfingsskjemaet benyttet en lett kunstig muskel, lik en menneskelig, som trekker seg sammen når elektrisitet påføres, noe som gjør at forskerne kan oppnå en rekke formtyper og gjør dem mer allsidige og bedre rustet til å navigere i vanskelige miljøer. 

Nyere forskning har brukt multifunksjonelle vedheng og kroppformendringer for å forbedre bevegelse, og muliggjort manøvrer som tidligere ikke var mulige. Men en evne hos morphoboter som ikke er blitt studert like mye, er deres midt-i-luften formskifte for å forbedre både jord- og luftbevegelse.

Dette kan gi morphoboter muligheten til å omgå behovet for interaksjon med jordkjøretøy under transformasjonen. 

Midt-i-luften-endringen kan tilby en pålitelig vei til atferdsagilitet og oppdragssikkerhet i scenarier hvor jordmorfing ikke er mulig på grunn av røft terreng som hindrer robotens vedhengs jordbevegelse.

Dermed presenterte Caltech-ingeniørene sin studie, som visualiserer en luftovergangsmanøver som forbinder flyging og kjøring.

Denne manøveren kalles dynamisk hjullanding, hvor målet er å ha en jevn overgang fra flyging til kjøring ved å transformere nær bakken og lande på dual-purpose hjul- og thrust-vedheng med så nær en kjørekonfigurasjon som mulig, noe som betyr den størst mulige tiltvinkelen, samtidig som ønsket innvirkningshastighet oppnås.

I motsetning til konvensjonelle quadrotor-landingsmanøvrer, hvor roboten vanligvis lander ved vertikal, ikke-transformerende nedstigning, involverer manøveren presentert i studien morfo-overgang, som betyr å skifte mellom to moduser via nær-grunn morfing.

Men å oppnå denne typen manøver er ingen enkel oppgave; snarere er det en utfordring fra et design-, modellerings- og kontrollperspektiv. 

Ikke bare krever manøveren økt dreiemoment for å motstå thrust-kreftene konsekvent, men den introduserer også nye dynamiske koblinger mellom aktuatorgrenser og robotens frihetsgrader. Autonom nær-grunn luftoperasjon er allerede et kjent utfordrende problem på grunn av effektene av jord-aerodynamikk. I tillegg er aerodynamikken til morfende flyvning og nær-grunn transformasjon stort sett ukjent. 

For å takle disse utfordringene har Caltech-forskere designet den lufttransformerende morphoboten (ATMO) spesielt for å løse problemet med midt-i-luften transformasjon.

Inni ATMO: Den virkelige transformer-roboten forklart

Publisert i tidsskriftet Communications Engineering, studien, støttet av finansiering fra Center for Autonomous Systems and Technologies ved Caltech, tar for seg utfordringen med lufttransformasjon for morphoboter ved å designe en flygende-kjørende robot kalt ATMO.

Denne roboten er spesialisert for midt-i-luften transformasjon gjennom en morfingsmekanisme som gjør det mulig å endre kroppens form i luften mens den krever minimal aktivering.

Den bruker fire thrusters for å fly mens skjermene som beskytter thrustersene blir hjulene til systemet i en alternativ kjørekonfigurasjon. Hele transformasjonen er avhengig av en enkelt motor som beveger et sentralt ledd, som skyver thrustersene opp i dronemodus eller ned i kjøremodus.

Det nye robotsystemet er inspirert av naturen, med hovedforfatter Ioannis Mandralis, en masterstudent i romfart ved Caltech, som illustrerer hvordan fugler flyr og justerer sin kroppsmorfologi for å bremse ned og unngå hindringer. 

«Å ha evnen til å transformere i luften åpner for mange muligheter for forbedret autonomi og robusthet.»

– Mandralis

Og selv om det kan virke ganske enkelt å se en fugl lande og løpe, er det det ikke.

«I virkeligheten er dette et problem som luftfartsindustrien har slitt med i sannsynligvis mer enn 50 år,» sa Mory Gharib, Hans W. Liepmann professor i luftfart og medisinsk ingeniørkunst og direktør og Booth-Kresa lederstol ved Caltech’s Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), hvor forskere samarbeider om å fremme dronforskning, autonom utforskning og bio-inspirerte systemer.

Alle flygende kjøretøy må håndtere kompliserte krefter nær bakken. 

I tilfelle av helikoptre, når de kommer inn for landing, skyver thrustersene mye luft nedover. Her leveres løft og thrust av de roterende rotorene. Når luftstrømmen treffer bakken, sirkulerer noe av den tilbake opp. Så hvis helikoptret synker for raskt, kan det bli sugd inn i denne luftvirvelen og miste løftet.

Når det gjelder ATMO, blir ting enda mer kompliserte fordi den må håndtere krefter nær bakken mens den har fire jetmotorer som kontinuerlig endrer hvor mye de skyter mot hverandre. Dette skaper mer turbulens og dermed ustabilitet.

For å få en bedre forståelse av den aerodynamiske kraften, gjennomførte ingeniørene eksperimenter i dronelaboratoriet til CAST.

For å undersøke hvordan endring av robotens konfigurasjon under landing påvirker thrust-kraften, gjennomførte teamet lastcelleeksperimenter, som innebærer å måle kraften som påføres et objekt ved hjelp av en lastcelle, en enhet som konverterer mekanisk kraft til et elektrisk signal.

Forskerne gjennomførte også røykvisualiseringseksperimenter, som brukes for å gjøre luftstrømmønstre synlige, for å avdekke den underliggende situasjonen som fører til disse dynamiske endringene.

Når innsiktene var samlet, ble de deretter matet inn i algoritmen bak det nye kontrollsystemet som forskerne utviklet for ATOM.

Dette systemet bruker en avansert kontrollteknikk kalt modell-prediktiv kontroll, som kontinuerlig forutsier hvordan systemet vil oppføre seg i nær fremtid og deretter justerer handlingene for å holde kursen.

According to Mandralis:

«Kontrollalgoritmen er den største innovasjonen i dette papiret. Quadrotorer bruker spesielle kontrollere på grunn av hvordan thrustersene er plassert og hvordan de flyr. Her introduserer vi et dynamisk system som ikke har blitt studert før. Så snart roboten begynner å morfe, får du forskjellige dynamiske koblinger — ulike krefter som påvirker hverandre. Og kontrollsystemet må kunne svare raskt på alt dette.»

Testing av ATMO: Hvordan ingeniører validerte midt-i-luften transformasjonen

ATMO fra Caltech-ingeniører har oppnådd både kjøring og flyging ved å bruke de dual-purpose vedhengene gjennom formendring. Men det som gjør ATMO forskjellig fra andre slike roboter er den ‘selvlåsende tilt-aktuator-mekanismen’ som tillater transformasjon i luften med en enklere design, lavere kostnad og minimale aktiveringskrav.

Når den er i flymodus, er roboten konfigurert som en standard quadcopter og bruker sine hjul-thruster-vedheng for fremdrift. I kjøremodus blir de samme vedhengene gjenbrukt for hjulbasert lokomotjon. 

Den resulterende kompakte roboten har en total vekt på 5,5 kg, som også inkluderer batteriet. Når det gjelder dimensjonene, er roboten 33 cm høy og 30 cm bred i jordkonfigurasjon og 16 cm høy og 65 cm bred i luftkonfigurasjon.

For kjøring bruker ATMO to belte-trekksystemer på hver side, som drives av kjøremotorer, og muliggjør differensialstyring.

I tillegg til å ha en datamaskin ombord som kjører en tilpasset kontroller, er roboten også utstyrt med sensorer ombord for tilstandsestimering og fusjon. All kommunikasjon skjer gjennom den avanserte programvaren ROS2. 

For å validere systemet ble kontrolleren brukt på en dynamisk hjullanding i CAST-flyområdet ved hjelp av et bevegelsesfangstsystem for å muliggjøre tilstandsestimering.

I dette eksperimentet ble kontrolleren brukt til å følge en referansebane i rommet som besto av en nedstigning med noe fremoverbevegelse mens wheel-thrusters ble vinklet, landing på hjulene, og deretter kjøring fremover.

Den modellbaserte kontrollskjemaet er utviklet for å dekke hele operasjonspakken av flyging, kjøring og overgang. For å håndtere problemet med aktuator-saturasjon som oppstår når roboten tiltar thrustersene for å lande på hjul, brukte teamet «en dekomponering av kontrollmålfunksjonen til en konveks kombinasjon av spesialiserte målfunksjoner for hver lokomotjonsmodus».

Dette ga et fleksibelt rammeverk for å kontrollere systemene under overgangen fra jord til luft.

Den utviklede kontrolleren muliggjorde landinger med tiltvinkler som overstiger aktuatorens metningsgrenser. Dette gjør at den nye roboten kan takle ujevnt terreng. 

Med en endelig tiltvinkel ved landing på 65° demonstrerte roboten at den vellykket kan lande med en tiltvinkel som overskrider den kritiske vinkelen. Dette, bemerket studien, oppnås på grunn av endringen i kostnadsfunksjonen under overgangsfasen, og som et resultat kan ATMO fortsette å tilte sine wheel-thrusters mens den opprettholder ønsket holdning. 

For å validere kontrollmetoden utførte teamet en kjørende start, som ble etterfulgt av en dynamisk hjullanding.

De demonstrerte også et viktig bruksområde for midt-i-luften transformasjon, en invers manøver bestående av rask start sammen med fremoverkjøring, i tillegg til landing på en skråning.

I eksperimentet klarte ATMO å lande jevnt på en skråning med kjent høyde og posisjon, som kan være farlig på grunn av risiko for å tippe, og dette kan unngås ved å transformere før landing, og fortsette kjøringen. 

Samlet sett viser eksperimentell validering av funksjonen og levedyktigheten til disse robotene at «bruk av midt-i-luften robottransformasjon kan resultere i dynamiske jord-luft overgangsmanøvrer som forbedrer robotens smidighet og utvider operasjonsområdet – og baner vei for større autonomi i fremtidige mobile robotoppdrag», bemerket studien.

Selv om teamet har demonstrert dynamiske overgangsmanøvrer med suksess, var forholdene her kontrollerte for å legge til rette for rask utvikling. For eksempel ble et bevegelsesfangstkamerasystem brukt for nøyaktig og raskt å estimere posisjon og orientering av robotsystemet, noe som overgår hva som kan oppnås med eksisterende sensorer ombord.

Derfor er videre undersøkelse nødvendig for å fastslå hvordan disse manøvrene fungerer i den virkelige verden, hvor roboter må møte mer komplekst, ustrukturert terreng og ta beslutninger basert på delvis sensorinformasjon, som er utsatt for støy.

Investering i robotikk: Hvorfor Amazon (AMZN) skiller seg ut

Når det gjelder et fremtredende navn i robotikkindustrien, har e-handelsgiganten Amazon (AMZN ) gjort mange fremskritt her. For å lede robotikk, kjøpte Amazon først Kiva Systems i 2012 for $775 millioner, som senere ble omdøpt til Amazon Robotics LLC. Selskapet avduket deretter sin aller første autonome mobile robot (AMR) kalt Proteus i 2022.

Amazon (AMZN )

Per mai 2025 har Amazon rapporterer at de har mer enn 750 000 roboter distribuert i sine operasjoner som sorterer, løfter og transporterer pakker. 

«År med innovasjon har gjort det mulig for oss å bygge, teste og skalere denne unike, høyt integrerte pakken av robotsystemer som arbeider for å støtte ansatte i å oppfylle kundebestillinger.»

– Scott Dresser, visepresident for Amazon Robotics

Ifølge ham har fremskritt innen AI gjort det mulig med sømløs integrering, noe som gir en estimert 25 % produktivitetsforbedring på deres oppfyllingsanlegg.

Det er totalt ni roboter. Dette inkluderer Proteus, Amazons proprietære autonome mobile robot designet for å arbeide rundt mennesker ved bruk av sensorer og en blanding av AI-baserte og ML-systemer. 

Robin er en robotarm som er ansvarlig for sortering av pakker og har med suksess fullført mer enn tre milliarder pakke-bevegelser. En annen robotarm er Cardinal, som legger pakker i vogner. Sparrow er også en robotarm som plukker opp og flytter individuelle gjenstander.

Sequoia bruker robotikk, AI og datavisjonssystemer for å konsolidere lagerbeholdning. Hercules finner og bringer podder med varer til ansatte, med Titan også satt til å gjøre det samme, men med evnen til å løfte dobbelt så mye som Hercules. Så er det Vulcan, som er Amazons første robot med en følesans som arbeider sammen med ansatte. 

Videre brukes en rekke pakkeinnovasjonssystemer for å pakke kundebestillinger, med en pakkeautomatiseringsmaskin som lager tilpassede papirposer.

Amazon har nå en markedsverdi på $2,18 billioner, med aksjene handlet til $205,8 på tidspunktet for denne skrivingen, ned 6,24 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 6,13, en P/E (TTM) på 33,55, og en ROE (TTM) på 25,24 %.

Når det gjelder økonomi, rapporterte Amazon nettoomsetning på $155,7 milliarder i første kvartal som endte 31. mars 2025. Salget økte 8 % år‑over‑år i Nord-Amerika til $92,9 milliarder og 5 % år‑over‑år internasjonalt til $33,5 milliarder.

For denne perioden rapporterte Amazon en driftsinntekt på $18,4 milliarder, et nettoresultat på $17,1 milliarder eller $1,59 per utvannet aksje, og en driftskontantstrøm på $113,9 milliarder. Selskapets frie kontantstrøm sank til $25,9 milliarder.

«Vi er fornøyde med starten på 2025, spesielt vårt tempo av innovasjon og fremgang i å fortsette å forbedre kundeopplevelser», sa administrerende direktør Andy Jassy, som bemerket at neste generasjons Alexa (Alexa+) blir «merkbart smartere» samt mer kapabel, nye Trainium2-brikker og Bedrock-modellutvidelse gjør det enklere for AWS‑kunder å trene modeller og kjøre inferens kostnadseffektivt, og de første Project Kuiper‑satellittene ble vellykket lansert til lav jordbane for å gi massene bredbåndstilgang.

Klikk her for en liste over de beste robotikkbedriftene.

Siste nyheter og utviklinger om Amazon (AMZN) aksjer

Konklusjon: Hvorfor ATMO markerer en ny æra innen robotikk

Robotverdenen utnytter bio‑inspirert ingeniørkunst, midt-i-luften transformasjon og intelligente kontrollsystemer for å designe jord‑luft‑roboter som har vært utfordrende på grunn av økte aktiveringskrav, som kan legge til vekt og redusere effektiviteten i deres lokomotjon.

Caltech-ingeniører har oppnådd dette gjennom ATMO, en robot som transformerer nær bakken med en jevn overgang mellom luft‑ og jordmoduser ved å utnytte nær‑grunn aerodynamikk og stabilisere systemet ved hjelp av en modell‑prediktiv kontroller.

ATMO markerer et viktig steg i å bygge bro over gapet mellom luft‑ og terrestrisk mobilitet, noe som er validert gjennom tallrike eksperimentelle demonstrasjoner. Med sine virkelige transformasjonsmuligheter viser roboten enormt potensial i å redefinere autonome operasjoner på tvers av industrier og bane vei for mer smidige, robuste og adaptive maskiner!

Klikk her for å lære hvordan roboter kan ta inspirasjon fra naturen.

Studier referert:

^{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}