Verkliga Transformers? Ingenjörer Skapar Robotar Som Formförändras i Luften

Världen för robotik utvecklas i snabb takt. Från arbetsrobotar till humanoida robotar som är mer fingerfärdiga och kan utföra komplexa rörelser, går vi in i en ny era av robotik. 

Redan förra månaden skapade forskare interaktiva robotar som fungerar som terapihästar, svarar på mänskliga känslor; en mjuk men smart robot som rör sig och greppar föremål genom att känna av sin omgivning, likt en bläckfisk; and a robotisk hund som efterliknar däggdjur för överlägsen rörlighet både på land och i vatten.

Ingenjörer har till och med uppfunnit en självläkande muskel för robotar som kan upptäcka skador, läka dem och sedan återställa för att upptäcka framtida skador. Förmågan att styra robotar på distans samtidigt som man känner interaktionen vid fingertopparna har också introducerats.

Mitt i allt detta har ett team av ingenjörer nu utvecklat en riktig Transformer som kan förändra sin form medan den är i luften. Denna mitt-i-luften-transformation gör att roboten kan rulla iväg utan ansträngning och sedan påbörja sina operationer på marken utan paus. 

Med denna förmåga har Caltech-ingenjörer övervunnit utmaningen med specialiserade robotar som både kan köra och flyga utan att fastna i ojämn terräng. Den förbättrade flexibiliteten hos dessa robotar kan vara särskilt fördelaktig för robotutforskare och leveranser.

Varför mark- och luftrobotar har problem i verkliga miljöer

Effektiv mark-luft-rörelse är avgörande för ett brett spektrum av robotikapplikationer; men varken mark- eller luftrobotar är ännu kapabla att fungera pålitligt i den verkliga världen. 

Medan markrobotar begränsas av sitt rörelsespann, vilket gör det omöjligt för dem att ta sig över höga hinder eller utföra inspektionsuppgifter, står luftrobotar inför problemet med begränsad batteriprestanda på grund av lastkrav och säkerhetsbekymmer när de flyger i en stadsmiljö.

Dessa utmaningar som dagens autonoma system möter kan övervinnas genom att kombinera luft- och markkapaciteter. Därför är fokus för Caltech-teamet av ingenjörer på utvecklingen av mark-luft-robotar.

Designen av många sådana robotar tenderar att förlita sig på redundansfilosofin och användning av flera aktuatorer för att uppfylla deras tvåmodala rörelses krav.

Dessa redundanta robotdesigner resulterar dock ofta i att fler aktuatorer och komponenter används än nödvändigt, vilket leder till ökad vikt och kostnad.

Här kan morphobotar eller robotar som återanvänder samma lemmar för olika uppgifter via formförändring skapa olika rörelsesätt samtidigt som både systemkomplexitet och vikt minskar.

Denna typ av robotdesign hämtar ofta inspiration från djurs multifunktionella rörelsesätt och förväntas öka effektiviteten hos mobila autonoma robotar som måste möta föränderliga, ostrukturerade miljöer.

Till exempel presenterade en studie från forskare vid Colorado State University för ett par år sedan presenterade¹ ett inbäddat form-morfingssystem för morfologiskt anpassningsbara robotsystem.

Forskarna utvecklade tre robotar som kan förändra sina ben och kroppar efter behov för att ta sig genom svår terräng. Dessa system designades för att efterlikna hur biologiska organismer, såsom grodor, anpassar sin form beroende på miljö och livscykel. För att utveckla dessa robotar använde forskarna material som kan bli mjuka eller styva med temperaturförändringar och röra sig utan skrymmande kraftsystem.

Dess inbäddade morfingssystem använde en lätt artificiell muskel, liknande en mänsklig, som kontraheras när elektricitet appliceras, vilket möjliggör för forskarna att uppnå en mängd olika formtyper och gör dem mer mångsidiga och bättre rustade för att navigera svåra miljöer. 

Senaste forskningen har använt multifunktionella lemmar och kroppsförändringar för att förbättra rörelse, vilket möjliggör manövrar som tidigare inte var möjliga. Men en förmåga hos morphobotar som inte har studerats lika mycket är deras mitt-i-luften-formförändring för att förbättra både mark- och luftrörelse.

Detta kan ge morphobotar förmågan att kringgå behovet av markfordonsinteraktion under transformationen. 

Mitt-i-luften-förändringen kan erbjuda en pålitlig väg till beteendemässig smidighet och missionssäkerhet i scenarier där markmorfning kanske inte är möjlig på grund av ojämn terräng som hindrar robotens lemmars markrörelse.

Så presenterade Caltech-ingenjörerna sin studie, som visualiserar en luftövergångsmanöver som kopplar samman flygning och körning.

Denna manöver kallas dynamisk hjullandning, där målet är att ha en smidig övergång från flygning till körning genom att transformera nära marken och landa på dubbelbrukade hjul‑drivningslemmar så nära en körkonfiguration som möjligt, vilket innebär den största möjliga lutningsvinkeln, samtidigt som önskad slaghastighet uppnås.

Till skillnad från konventionella quadrotor-landningsmanövrar, där roboten vanligtvis landar genom vertikal, icke‑transformerande nedstigning, involverar manövern som presenteras i studien morfo‑transition, vilket betyder att skifta mellan två lägen via närmarksmorfning.

Men att uppnå denna typ av manöver är ingen enkel uppgift; snarare är det en utmaning ur ett design‑, modellerings‑ och kontrollperspektiv.

Inte bara kräver manövern ökat vridmoment för att konsekvent motstå drivkraften, utan den introducerar också nya dynamiska kopplingar mellan aktuatorgränser och robotens frihetsgrader. Autonom närmarksluftoperation är redan ett känt utmanande problem på grund av markaerodynamikens effekter. Dessutom är aerodynamiken för morfande flygning och närmarkstransformation i stort okänd.

För att tackla dessa utmaningar har Caltech-forskare designat den lufttransformerande morphoboten (ATMO) specifikt för att lösa problemet med mitt-i-luften-transformation.

Inuti ATMO: Den verkliga Transformer-roboten förklarad

Publicerad i tidskriften Communications Engineering, studien, stödd av finansiering från Center for Autonomous Systems and Technologies vid Caltech, tar upp utmaningen med lufttransformation för morphobotar genom att designa en flyg‑kör‑robot kallad ATMO.

Denna robot är specialiserad för mitt-i-luften-transformation genom en morfingsmekanism som möjliggör förändring av kroppens form under flygning med minimal aktivering.

Den använder fyra drivare för att flyga medan skärmarna som skyddar drivarna blir systemets hjul i en alternativ körkonfiguration. Hela transformationen förlitar sig på en enda motor för att flytta ett centralt led, som skjuter drivarna upp i drönarläge eller ner i körläge.

Det nya robotsystemet är inspirerat av naturen, med huvudförfattare Ioannis Mandralis, en forskarstuderande i rymdteknik vid Caltech, som illustrerar hur fåglar flyger och anpassar sin kroppsmorfologi för att sakta ner och undvika hinder.

“Att ha förmågan att transformera i luften öppnar många möjligheter för förbättrad autonomi och robusthet.”

– Mandralis

Och även om det verkar ganska enkelt att se en fågel landa och springa, är det det inte.

“I verkligheten är detta ett problem som flygindustrin har kämpat med i sannolikt mer än 50 år,” sade Mory Gharib, Hans W. Liepmann‑professor i aeronautik och medicinsk teknik samt direktör och Booth‑Kresa‑ledarskapstol för Caltech’s Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST), där forskare samarbetar för att driva drönarforskning, autonom utforskning och bio‑inspirerade system framåt.

Alla flygande fordon måste hantera komplicerade krafter nära marken. 

I fallet med helikoptrar, när de kommer in för en landning, skjuter deras drivare mycket luft nedåt. Här levereras lyftkraft och drivkraft av de snurrande rotorerna. När luftflödet träffar marken cirkulerar en del av det tillbaka uppåt. Så om helikoptern sjunker för snabbt kan den sugas in i denna luftvirvel och förlora sin lyftkraft.

När det gäller ATMO blir saker ännu mer komplicerade eftersom den måste hantera närmarkskrafter samtidigt som den har fyra jetmotorer som kontinuerligt förändrar hur mycket de skjuter mot varandra. Detta skapar mer turbulens och därmed instabilitet.

För att få en bättre förståelse av den aerodynamiska kraften genomförde ingenjörerna experiment i CAST:s drönarlabb.

För att undersöka hur förändring av robotens konfiguration under landning påverkar dess drivkraft, utförde teamet lastcellsexperiment, vilka innebär att mäta kraften som appliceras på ett föremål med en lastcell, en enhet som omvandlar mekanisk kraft till en elektrisk signal.

Forskarna genomförde också rökvisualiseringsexperiment, som används för att göra luftflödesmönster synliga, för att upptäcka den underliggande situationen som leder till dessa dynamikförändringar.

När insikterna samlats matades de sedan in i algoritmen bakom det nya kontrollsystemet som forskarna skapade för ATOM.

Detta system använder en avancerad kontrollteknik kallad modellprediktiv styrning, som ständigt förutsäger hur systemet kommer att bete sig i den nära framtiden och sedan justerar sina handlingar för att hålla kursen.

According to Mandralis:

“Kontrollalgoritmen är den största innovationen i detta papper. Quadrotorer använder särskilda styrsystem på grund av hur deras drivare är placerade och hur de flyger. Här introducerar vi ett dynamiskt system som inte har studerats tidigare. Så snart roboten börjar morfa får du olika dynamiska kopplingar — olika krafter som interagerar med varandra. Och kontrollsystemet måste kunna svara snabbt på allt detta.”

Testning av ATMO: Hur ingenjörer validerade mitt-i-luften-transformationen

ATMO från Caltech-ingenjörer har uppnått både körning och flygning med de dubbelbrukade lemmarna genom formförändring. Men det som gör ATMO annorlunda jämfört med andra sådana robotar är den ‘självlåsande lutningsaktuatormekanismen’ som möjliggör transformation i luften med en enklare design, lägre kostnad och minimala aktiveringskrav.

När den är i flygläge är roboten konfigurerad som en standardquadrotor och använder sina hjul‑drivningsfästen för framdrift. I körläge återanvänds exakt samma lemmar för hjulbaserad framdrift. 

Den resulterande kompakta roboten har en totalvikt på 5,5 kg, vilket också inkluderar batteriet. När det gäller dess dimensioner är roboten 33 cm hög och 30 cm bred i markkonfiguration och 16 cm hög och 65 cm bred i luftkonfiguration.

För körning använder ATMO två rem‑pulley‑system på vardera sidan, som drivs av körmotorer, vilket möjliggör differentialstyrning.

Förutom att ha en dator ombord som kör en anpassad styrning, är roboten också utrustad med sensorer ombord för tillståndsestimering och fusion. All kommunikation sker via den avancerade mjukvaran ROS2. 

För att validera systemet applicerades styrsystemet på en dynamisk hjullandning i CAST:s flygområde med hjälp av ett rörelsespårningssystem för att möjliggöra tillståndsestimering.

I detta experiment användes styrsystemet för att följa en referensbana i rymden som bestod av en nedstigning med viss framåtrörelse samtidigt som hjul‑drivningarna vinklades, landade på hjulen och sedan körde framåt.

Det modellbaserade styrschemat har utvecklats för att täcka hela driftspaketet för flygning, körning och övergång. För att hantera problemet med aktuatorsaturering som uppstår när roboten lutar sina drivare för att landa på hjulen, använde teamet “en dekomposition av styrmålfunktionen till en konvex kombination av specialiserade målfunktioner för varje rörelsesätt.”

Detta gav ett flexibelt ramverk för att kontrollera systemen under övergången från mark till luft.

Den utvecklade styrningen möjliggjorde landningar med lutningsvinklar bortom aktuatorsatureringsgränserna. Detta tillåter den nya roboten att klara ojämn terräng.

Med en slutlig lutningsvinkel vid landning på 65° demonstrerade roboten att den framgångsrikt kan landa med en lutningsvinkel som överstiger den kritiska vinkeln. Detta, noterade studien, uppnås på grund av förändringen i kostnadsfunktionen under övergångsfasen, och som ett resultat kan ATMO fortsätta luta sina hjul‑drivningar samtidigt som den behåller önskad attityd.

För att validera kontrollmetoden utförde teamet en körstart, som följdes av en dynamisk hjullandning.

De demonstrerade också ett viktigt användningsfall av mitt-i-luften-transformation, en omvänd manöver bestående av snabb start tillsammans med framåtrörelse, samt landning på en sluttning.

I experimentet kunde ATMO landa smidigt på en sluttning med känd höjd och position, vilket kan vara farligt på grund av risken för att välta, och kan undvikas genom att transformera före landning och fortsätta köra.

Sammanfattningsvis visar den experimentella valideringen av funktion och livskraft för dessa robotar att ”användning av mitt-i-luften-robottransformation kan resultera i dynamiska mark‑luft‑övergångsmanövrar som förbättrar robotens smidighet och utökar driftsområdet – vilket banar väg för större autonomi i framtida mobila robotuppdrag,” noterade studien.

Även om teamet framgångsrikt har demonstrerat dynamiska övergångsmanövrar, var förhållandena här kontrollerade för att underlätta snabb utveckling. Till exempel användes ett rörelsespårningskamerasystem för att exakt och snabbt uppskatta position och orientering av robotsystemet, vilket överträffar vad som kan uppnås med befintliga sensorer ombord.

Så krävs ytterligare undersökning för att avgöra hur dessa manövrar fungerar i den verkliga världen, där robotar måste möta mer komplex, ostrukturerad terräng och fatta beslut baserade på partiell sensorinformation, som är föremål för brus.

 Investering i robotik: Varför Amazon (AMZN) sticker ut

När det gäller ett framstående namn inom robotikindustrin har e-handelsjätten Amazon (AMZN ) gjort stora framsteg här. För att leda robotik förvärvade Amazon först Kiva Systems år 2012 för 775 miljoner dollar, vilket senare omdöptes till Amazon Robotics LLC. Företaget presenterade sedan sin första autonoma mobila robot (AMR) kallad Proteus år 2022.

Amazon (AMZN ) 

I maj 2025 rapporterar Amazon rapporterar att de har mer än 750 000 robotar distribuerade över sina verksamheter som sorterar, lyfter och transporterar paket. 

“År av innovation har gjort det möjligt för oss att bygga, testa och skala denna unika, starkt integrerade svit av robotsystem som arbetar för att stödja anställda i att uppfylla kundorder.”

– Scott Dresser, Vice President of Amazon Robotics

Enligt honom har framsteg inom AI möjliggjort deras sömlösa integration, vilket ger en uppskattad produktivitetsökning på 25 % i deras uppfyllningsanläggningar.

Det finns totalt nio robotar. Detta inkluderar Proteus, Amazons proprietära autonoma mobila robot som är designad för att arbeta runt människor med hjälp av sensorer och en blandning av AI‑baserade och ML‑system. 

Robin är en robotarm som ansvarar för att sortera paket och har framgångsrikt genomfört mer än tre miljarder paketförflyttningar. En annan robotarm är Cardinal, som placerar paket i vagnar. Sparrow är också en robotarm som plockar upp och flyttar enskilda föremål.

Sequoia använder robotik, AI och datorseendesystem för att konsolidera lager. Hercules hittar och för med sig poddar med artiklar till anställda, och Titan har samma uppgift men med förmågan att lyfta dubbelt så mycket som Hercules. Sedan finns Vulcan, som är Amazons första robot med känsel som arbetar tillsammans med anställda. 

Dessutom används en mängd olika förpackningsinnovationssystem för att packa kundorder, med en Packaging Automation‑maskin som används för att skapa skräddarsydda papperspåsar.

Amazon har nu ett börsvärde på 2,18 biljon dollar, med aktier som handlas till 205,8 $ vid skrivande stund, ned 6,24 % år till datum. Den har en EPS (TTM) på 6,13, en P/E (TTM) på 33,55 och en ROE (TTM) på 25,24 %.

När det gäller finanser rapporterade Amazon nettoomsättning på 155,7 miljard dollar under första kvartalet som avslutades den 31 mars 2025. Försäljningen ökade med 8 % år‑över‑år i Nordamerika till 92,9 miljard dollar och med 5 % år‑över‑år internationellt till 33,5 miljard dollar.

För denna period rapporterade Amazon en rörelsevinst på 18,4 miljard dollar, en nettoinkomst på 17,1 miljard dollar eller 1,59 $ per utspädd aktie, samt ett operativt kassaflöde på 113,9 miljard dollar. Företagets fria kassaflöde minskade till 25,9 miljard dollar.

“Vi är nöjda med starten på 2025, särskilt vårt innovationstempo och framsteg i att fortsätta förbättra kundupplevelser,” sade VD Andy Jassy, som noterade att nästa generations Alexa (Alexa+) blir “betydligt smartare” samt mer kapabel, nya Trainium2‑chip och Bedrock‑modellutvidgning som gör det enklare för AWS‑kunder att träna modeller och köra inferens kostnadseffektivt, samt att de första Project Kuiper‑satelliterna framgångsrikt lanserades till låg jordbana för att erbjuda massbredbandstillgång.

Klicka här för en lista över de bästa robotikföretagen.

Senaste nyheter och utveckling kring Amazon (AMZN) aktie

Slutsats: Varför ATMO markerar en ny era inom robotik

Världen för robotik utnyttjar bio‑inspirerad ingenjörskonst, mitt-i-luften‑transformation och intelligenta styrsystem för att designa mark‑luft‑robotar som har varit utmanande på grund av ökade aktiveringskrav, vilket kan lägga till vikt och minska effektiviteten i deras framdrift.

Caltech-ingenjörer har uppnått detta genom ATMO, en robot som transformeras nära marken med en smidig övergång mellan luft‑ och marklägen genom att utnyttja närmarkens aerodynamik och stabilisera systemet med en modellprediktiv styrning.

ATMO markerar ett viktigt steg i att överbrygga klyftan mellan luft‑ och markmobilitet, vilket valideras genom ett flertal experimentella demonstrationer. Med sina verkliga transformationsförmågor visar roboten enorm potential att omdefiniera autonoma operationer över branscher och bana väg för mer smidiga, robusta och anpassningsbara maskiner!

Klicka här för att lära dig hur robotar kan ta inspiration från naturen.

Refererade studier:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., & Zhao, J. (2023). Inbäddad formmorfning för morfologiskt anpassningsbara robotar. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}