Transformadores do Mundo Real? Engenheiros Criam Robôs que se Transformam no Ar

O mundo da robótica está avançando em ritmo acelerado. De robôs operários a robôs humanoides que são mais ágeis e capazes de movimentos complexos, estamos entrando na nova era da robótica. 

Só no mês passado, pesquisadores criaram robôs interativos que agem como cavalos de terapia, respondendo às emoções humanas; um robô macio, porém inteligente que se move e agarra objetos ao perceber seu ambiente, muito parecido com um polvo; e um cão robótico que imita mamíferos para mobilidade superior tanto em terra quanto na água.

Engenheiros até inventaram um músculo autorreparável para robôs que pode detectar lesões, curá‑las e então reiniciar para detectar danos futuros. A capacidade de controlar robôs remotamente enquanto sente a interação nas pontas dos dedos também foi introduzida.

Em meio a tudo isso, uma equipe de engenheiros desenvolveu agora um verdadeiro Transformer que pode mudar sua forma enquanto está no ar. Essa transformação no ar permite que o robô role sem esforço e então inicie suas operações no solo sem pausa. 

Com essa capacidade, engenheiros da Caltech superaram o desafio com robôs especializados que podem tanto dirigir quanto voar sem ficar presos em terrenos irregulares. A flexibilidade aprimorada desses robôs pode ser especialmente benéfica para exploradores robóticos e entregas.

Por que Robôs Terrestres e Aéreos Têm Dificuldade em Ambientes do Mundo Real

O movimento eficaz entre solo e ar é crucial para uma ampla gama de aplicações robóticas; porém, nem robôs terrestres nem aéreos ainda são capazes de operar de forma confiável no mundo real. 

Enquanto os robôs terrestres são limitados por seu alcance de operação, o que impossibilita que eles se movimentem sobre obstáculos altos ou realizem tarefas de inspeção, os robôs aéreos enfrentam o problema de desempenho limitado da bateria devido aos requisitos de carga útil e preocupações de segurança ao voar em ambientes urbanos.

Esses desafios que os sistemas autônomos atuais enfrentam podem ser superados combinando capacidades aéreas e terrestres. Portanto, o foco da equipe de engenheiros da Caltech está no desenvolvimento de robôs que operam tanto no solo quanto no ar.

Os projetos de muitos desses robôs tendem a depender da filosofia de redundância e do uso de múltiplos atuadores para atender aos requisitos de movimento bimodal.

No entanto, esses projetos redundantes de robôs frequentemente acabam usando mais atuadores e componentes do que o necessário, resultando em aumento de peso e custo.

Aqui, os morphobots ou robôs que reutilizam os mesmos apêndices para diferentes tarefas por meio de mudança de forma podem gerar diferentes modos de locomoção enquanto diminuem tanto a complexidade do sistema quanto o peso.

Esses tipos de projetos de robôs frequentemente se inspiram nos comportamentos de locomoção multifuncional dos animais e espera‑se que aumentem a eficácia de robôs autônomos móveis que precisam enfrentar ambientes mutáveis e não estruturados.

Por exemplo, um estudo de pesquisadores da Colorado State University de alguns anos atrás apresentou¹ um esquema de morfismo de forma incorporado para sistemas robóticos morfologicamente adaptáveis.

Os pesquisadores desenvolveram três robôs que podem mudar suas pernas e corpos conforme necessário para se mover em terrenos difíceis. Esses sistemas foram projetados para imitar a forma como organismos biológicos, como sapos, adaptam sua forma dependendo do ambiente e do ciclo de vida. Para desenvolver esses robôs, os pesquisadores usaram materiais que podem se tornar macios ou rígidos com mudanças de temperatura e se mover sem sistemas de energia volumosos.

Seu esquema de morfismo incorporado utilizou um músculo artificial leve, muito semelhante ao humano, que se contrai quando a eletricidade é aplicada, permitindo que os pesquisadores alcancem uma variedade de tipos de forma e tornando‑os mais versáteis e melhor equipados para navegar em ambientes difíceis. 

Pesquisas recentes têm usado apêndices multifuncionais e mudanças de forma corporal para melhorar o movimento, permitindo manobras que antes não eram possíveis. Mas uma capacidade dos morphobots que ainda não foi muito estudada é a mudança de forma no ar para melhorar tanto o movimento terrestre quanto o aéreo.

Isso pode proporcionar aos morphobots a capacidade de contornar a necessidade de interação com veículos terrestres durante a transformação. 

A mudança no ar pode oferecer um caminho confiável para agilidade comportamental e segurança da missão em cenários onde a morfologia terrestre pode não ser possível devido a terreno acidentado que obstrui o movimento dos apêndices do robô no solo.

Assim, os engenheiros da Caltech apresentaram seu estudo, que visualiza uma manobra de transição aérea que conecta voo e condução.

Essa manobra é chamada de pouso dinâmico com rodas, onde o objetivo é ter uma transição suave do voo para a condução ao transformar próximo ao solo e pousar em apêndices de roda‑propulsor de uso duplo com uma configuração de condução o mais próximo possível, o que significa o maior ângulo de inclinação possível, enquanto se atinge a velocidade de impacto desejada. 

Ao contrário das manobras convencionais de pouso de quadricópteros, nas quais o robô geralmente pousa por descida vertical e não transformadora, a manobra apresentada no estudo envolve morfo‑transição, o que significa mudar entre dois modos via morfismo próximo ao solo.

Mas alcançar esse tipo de manobra não é uma tarefa fácil; ao contrário, é um desafio do ponto de vista de design, modelagem e controle. 

Não só a manobra requer torque aumentado para suportar consistentemente as forças de empuxo, como também introduz novos acoplamentos dinâmicos entre os limites dos atuadores e os graus de liberdade do robô. A operação aérea autônoma próxima ao solo já é um problema conhecido e desafiador devido aos efeitos da aerodinâmica do solo. Além disso, a aerodinâmica do voo em morfismo e da transformação próxima ao solo é em grande parte desconhecida. 

Para enfrentar esses desafios, pesquisadores da Caltech projetaram o Morphobot de Transformação Aérea (ATMO) especificamente para resolver o problema da transformação no ar.

Dentro do ATMO: O Robô Transformer do Mundo Real Explicado

Publicado na revista Communications Engineering, o estudo, apoiado por financiamento do Center for Autonomous Systems and Technologies da Caltech, aborda o desafio da transformação aérea para Morphobots ao projetar um robô voador e terrestre chamado ATMO.

Este robô é especializado em transformação no ar por meio de um mecanismo de morfismo que permite mudar a forma do corpo durante o voo, exigindo atuação mínima.

Ele usa quatro propulsores para voar enquanto as capas que protegem os propulsores se tornam as rodas do sistema em uma configuração de condução alternativa. Toda essa transformação depende de um único motor para mover uma junta central, que empurra os propulsores para cima, modo drone, ou para baixo, modo de condução.

O novo sistema robótico é inspirado na natureza, com o autor principal Ioannis Mandralis, estudante de pós‑graduação em aeroespacial na Caltech, ilustrando como os pássaros voam e ajustam sua morfologia corporal para desacelerar e evitar obstáculos. 

“Ter a capacidade de se transformar no ar desbloqueia muitas possibilidades para melhorar a autonomia e a robustez.”

– Mandralis

E embora ver um pássaro pousar e correr pareça bastante simples, não é.

“Na realidade, este é um problema que a indústria aeroespacial tem lutado para resolver há provavelmente mais de 50 anos,” disse Mory Gharib, professor Hans W. Liepmann de Aeronáutica e Engenharia Médica e diretor e presidente da Booth‑Kresa Leadership do Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) da Caltech, onde pesquisadores colaboram no avanço da pesquisa de drones, exploração autônoma e sistemas bioinspirados.

Todos os veículos voadores precisam lidar com forças complicadas próximas ao solo. 

No caso dos helicópteros, quando eles se aproximam para pousar, seus propulsores empurram muito ar para baixo. Aqui, a sustentação e o empuxo são fornecidos pelos rotores giratórios. À medida que o fluxo de ar atinge o solo, parte dele circula de volta para cima. Portanto, se o helicóptero descer muito rápido, pode ser sugado para esse vórtice de ar e perder sua sustentação.

No caso do ATMO, as coisas se tornam ainda mais complicadas porque ele deve lidar com forças próximas ao solo enquanto possui quatro jatos que mudam continuamente a extensão em que disparam entre si. Isso cria mais turbulência e, por sua vez, instabilidade.

Para obter uma melhor compreensão da força aerodinâmica, os engenheiros realizaram experimentos no laboratório de drones do CAST.

Para investigar como a alteração da configuração do robô durante o pouso afeta sua força de empuxo, a equipe realizou experimentos com célula de carga, que envolvem medir a força aplicada a um objeto usando uma célula de carga, um dispositivo que converte força mecânica em um sinal elétrico.

Os pesquisadores também conduziram experimentos de visualização de fumaça, usados para tornar os padrões de fluxo de ar visíveis, a fim de descobrir a situação subjacente que leva a essas mudanças dinâmicas.

Uma vez coletados, os insights foram então inseridos no algoritmo por trás do novo sistema de controle que os pesquisadores criaram para o ATOM.

Este sistema utiliza uma técnica avançada de controle chamada controle preditivo baseado em modelo, que constantemente prevê como o sistema se comportará no futuro próximo e então ajusta suas ações para manter o curso.

De acordo com Mandralis:

“O algoritmo de controle é a maior inovação neste artigo. Quadricópteros usam controladores específicos devido à forma como seus propulsores são posicionados e como voam. Aqui introduzimos um sistema dinâmico que não havia sido estudado antes. Assim que o robô começa a se transformar, surgem diferentes acoplamentos dinâmicos — diferentes forças interagindo entre si. E o sistema de controle precisa ser capaz de responder rapidamente a tudo isso.”

Testando o ATMO: Como os Engenheiros Validaram a Transformação no Ar

O ATMO dos engenheiros da Caltech conseguiu tanto conduzir quanto voar usando os apêndices de uso duplo por meio da mudança de forma. Mas o que diferencia o ATMO de outros tipos de robôs é o ‘mecanismo de atuador de inclinação auto‑travante’ que permite a transformação no ar com um design mais simples, menor custo e requisitos mínimos de atuação.

Quando está no modo de voo, o robô é configurado como um quadricóptero padrão e usa seus anexos de roda‑propulsor para propulsão. No modo de condução, esses mesmos apêndices são reutilizados para locomoção com rodas. 

O robô compacto resultante tem um peso total de 5,5 kg, que também inclui a bateria. Quanto às suas dimensões, o robô mede 33 cm de altura e 30 cm de largura na configuração terrestre e 16 cm de altura e 65 cm de largura na configuração aérea.

Para condução, o ATMO usa dois sistemas de correia‑polias localizados em cada lado, operados por motores de condução, permitindo direção diferencial.

Além de possuir um computador a bordo que executa um controlador personalizado, o robô também está equipado com sensores a bordo para estimativa e fusão de estado. Toda a comunicação é realizada através do software avançado ROS2. 

Para validar o sistema, o controlador foi aplicado a um pouso dinâmico com rodas na área de voo do CAST usando um sistema de captura de movimento para permitir a estimativa de estado.

Neste experimento, o controlador foi usado para rastrear uma trajetória de referência no espaço que compreendia uma descida com algum movimento para frente enquanto inclinava os propulsores de roda, pousando nas rodas e depois avançando.

O esquema de controle baseado em modelo foi desenvolvido para cobrir todo o pacote operacional de voo, condução e transição. Para lidar com o problema de saturação do atuador que ocorre quando o robô inclina seus propulsores para pousar nas rodas, a equipe “usou uma decomposição da função objetivo de controle em uma combinação convexa de funções objetivo especializadas para cada modo de locomoção.”

Isso forneceu uma estrutura flexível para controlar os sistemas durante a transição do solo para o ar.

O controlador desenvolvido permitiu pousos com ângulos de inclinação além dos limites de saturação do atuador. Isso permite que o novo robô supere terrenos irregulares. 

Com um ângulo final de inclinação no pouso de 65°, o robô demonstrou que consegue pousar com sucesso em um ângulo de inclinação que excede o ângulo crítico. Isso, observou o estudo, é alcançado devido à mudança na função de custo durante a fase de transição e, como resultado, o ATMO pode continuar inclinando seus propulsores de roda enquanto mantém a atitude desejada. 

Para validar o método de controle, a equipe realizou uma decolagem de condução, seguida por um pouso dinâmico com rodas.

Eles também demonstraram um caso de uso importante da transformação no ar, uma manobra inversa consistindo em decolagem rápida juntamente com movimento de condução para frente, além de pouso em uma inclinação.

No experimento, o ATMO conseguiu pousar suavemente em uma inclinação de altura e posição conhecidas, que pode ser perigosa devido ao risco de tombar, e isso pode ser evitado ao transformar antes do pouso e continuar a condução. 

No geral, validar experimentalmente o funcionamento e a viabilidade desses robôs demonstra que “usar a transformação robótica no ar pode resultar em manobras de transição dinâmica solo‑ar que aumentam a agilidade do robô e ampliam o alcance operacional – abrindo caminho para maior autonomia em futuras missões robóticas móveis,” observou o estudo.

Embora a equipe tenha demonstrado com sucesso manobras de transição dinâmica, as condições aqui foram controladas para facilitar o desenvolvimento rápido. Por exemplo, um sistema de câmera de captura de movimento foi usado para estimar com precisão e rapidez a posição e orientação do sistema robótico, superando o que pode ser alcançado pelos sensores a bordo existentes.

Portanto, investigações adicionais são necessárias para determinar como essas manobras funcionam no mundo real, onde os robôs precisam enfrentar terrenos mais complexos e não estruturados e tomar decisões com base em informações sensorias parciais, sujeitas a ruído.

Investindo em Robótica: Por que a Amazon (AMZN) se Destaca

Quando se trata de um nome proeminente na indústria de robótica, o gigante de comércio eletrônico Amazon (AMZN ) tem feito muitos avanços aqui. Para liderar a robótica, a Amazon adquiriu primeiro a Kiva Systems em 2012 por US$ 775 milhões, que posteriormente foi renomeada para Amazon Robotics LLC. A empresa então revelou seu primeiro robô móvel autônomo (AMR) chamado Proteus em 2022.

Amazon (AMZN )

Em maio de 2025, a Amazon relata ter mais de 750.000 robôs implantados em suas operações que classificam, levantam e transportam pacotes. 

“Anos de inovação nos permitiram construir, testar e escalar este conjunto único e altamente integrado de sistemas robóticos que trabalham para apoiar os funcionários no cumprimento dos pedidos dos clientes.”

– Scott Dresser, Vice‑Presidente da Amazon Robotics

De acordo com ele, os avanços em IA permitiram sua integração perfeita, o que impulsiona uma melhoria de produtividade estimada em 25% nas suas instalações de fulfillment.

Existem um total de nove robôs. Isso inclui o Proteus, o robô móvel autônomo proprietário da Amazon projetado para operar ao redor de pessoas usando sensores e uma combinação de sistemas baseados em IA e ML. 

Robin é um braço robótico responsável por classificar pacotes e já completou com sucesso mais de três bilhões de movimentações de pacotes. Outro braço robótico é o Cardinal, que coloca pacotes em carrinhos. Sparrow também é um braço robótico que pega e move itens individuais.

Sequoia usa robótica, IA e sistemas de visão computacional para consolidar inventário. Hercules encontra e traz pods de itens para os funcionários, com Titan também encarregado de fazer o mesmo, mas com a capacidade de levantar o dobro do que Hercules. Depois há o Vulcan, que é o primeiro robô da Amazon com senso de toque que trabalha ao lado dos funcionários. 

Além disso, uma variedade de sistemas inovadores de embalagem são usados para embalar pedidos de clientes, com uma máquina de Automação de Embalagem usada para criar sacolas de papel sob medida.

A Amazon agora possui uma capitalização de mercado de US$ 2,18 trilhões, com suas ações negociando a US$ 205,8 neste momento, queda de 6,24% no ano. Ela tem um EPS (TTM) de 6,13, um P/E (TTM) de 33,55 e um ROE (TTM) de 25,24%.

Quanto aos resultados financeiros, a Amazon reportou vendas líquidas de US$ 155,7 bilhões no primeiro trimestre encerrado em 31 de março de 2025. As vendas aumentaram 8% YoY na América do Norte para US$ 92,9 bilhões e 5% YoY internacionalmente para US$ 33,5 bilhões.

Neste período, a Amazon relatou um lucro operacional de US$ 18,4 bilhões, um lucro líquido de US$ 17,1 bilhões ou US$ 1,59 por ação diluída, e um fluxo de caixa operacional de US$ 113,9 bilhões. O fluxo de caixa livre da empresa diminuiu para US$ 25,9 bilhões.

“Estamos satisfeitos com o início de 2025, especialmente com nosso ritmo de inovação e progresso em continuar a melhorar as experiências dos clientes,” disse o CEO Andy Jassy, que destacou a Alexa de próxima geração (Alexa+) tornando‑se “significativamente mais inteligente” e mais capaz, novos chips Trainium2 e a expansão do modelo Bedrock facilitando para os clientes da AWS treinar modelos e executar inferência de forma econômica, e os primeiros satélites do Project Kuiper lançando com sucesso em órbita baixa da Terra para fornecer acesso de banda larga em massa.

Clique aqui para uma lista das principais empresas de robótica.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Amazon (AMZN)

Conclusão: Por que o ATMO Marca uma Nova Era na Robótica

O mundo da robótica está aproveitando a engenharia bioinspirada, a transformação no ar e sistemas de controle inteligentes para projetar robôs solo‑aéreos que têm sido desafiadores devido às demandas aumentadas de atuação, que podem acrescentar peso e reduzir a eficiência de sua locomoção.

Engenheiros da Caltech alcançaram isso através do ATMO, um robô que se transforma próximo ao solo com uma transição suave entre os modos aéreo e terrestre ao aproveitar a aerodinâmica próxima ao solo e estabilizar o sistema usando um controlador preditivo baseado em modelo.

O ATMO representa um passo fundamental na ponte entre a mobilidade aérea e terrestre, o que é validado por inúmeras demonstrações experimentais. Com suas capacidades de transformação no mundo real, o robô demonstra um enorme potencial em redefinir operações autônomas em diversos setores e abrir caminho para máquinas mais ágeis, resilientes e adaptáveis!

Clique aqui para aprender como os robôs podem se inspirar na natureza.

Estudos Referenciados:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., & Zhao, J. (2023). Morfismo de forma incorporado para robôs morfologicamente adaptativos. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}