Des Transformers du monde réel ? Des ingénieurs créent des robots qui se métamorphosent en plein vol.

Le monde de la robotique évolue à un rythme soutenu. Des robots ouvriers aux robots humanoïdes plus agiles et capables de mouvements complexes, nous entrons dans une nouvelle ère de la robotique. 

Rien que le mois dernier, des chercheurs ont créé robots interactifs qui agissent comme des chevaux de thérapie, répondant aux émotions humaines ; un robot doux mais intelligent qui déplace et saisit des objets en détectant son environnement, un peu comme une pieuvre ; , l’aspect économique chien robotique qui imite les mammifères pour une mobilité supérieure sur terre et dans l'eau.

Les ingénieurs ont même inventé un muscle auto-réparateur pour des robots capables de détecter les blessures, de les soigner, puis de se réinitialiser pour détecter de futurs dommages. La capacité à contrôler les robots à distance tandis que la sensation d'interaction au bout des doigts a également été introduite.

Au milieu de tout cela, une équipe d'ingénieurs a développé un véritable Transformer capable de changer de forme en vol. Cette transformation en plein vol permet au robot de rouler sans effort et de démarrer ses opérations au sol sans interruption. 

Grâce à cette capacité, les ingénieurs de Caltech ont relevé le défi grâce à des robots spécialisés capables de se déplacer et de voler sans s'enliser sur des terrains accidentés. La flexibilité accrue de ces robots peut s'avérer particulièrement avantageuse pour les robots d'exploration et de livraison.

Pourquoi les robots terrestres et aériens ont du mal à fonctionner dans des environnements réels

Un mouvement terrestre et aérien efficace est crucial pour une large gamme d’applications robotiques ; cependant, ni les robots terrestres ni les robots aériens ne sont encore capables de fonctionner de manière fiable dans le monde réel. 

Alors que les robots terrestres sont limités par leur portée de fonctionnement, ce qui les empêche de franchir des obstacles élevés ou d'effectuer des tâches d'inspection, les robots aériens sont confrontés au problème des performances limitées de la batterie en raison des exigences de charge utile et des problèmes de sécurité lorsqu'ils volent en milieu urbain.

Les défis auxquels sont confrontés les systèmes autonomes actuels peuvent être surmontés en combinant capacités aériennes et terrestres. C'est pourquoi l'équipe d'ingénieurs de Caltech se concentre sur le développement de robots terrestres-aériens.

La conception de nombreux robots de ce type a tendance à dépendre de la philosophie de la redondance et de l’utilisation de plusieurs actionneurs pour répondre à leurs exigences de mouvement bimodal.

Cependant, ces conceptions de robots redondantes finissent souvent par utiliser plus d'actionneurs et de composants que nécessaire, ce qui entraîne une augmentation du poids et des coûts.

Ici, les morphobots ou robots qui réutilisent les mêmes appendices pour différentes tâches via un changement de forme peuvent générer différents modes de locomotion tout en diminuant à la fois la complexité et le poids du système.

Ces types de conceptions de robots s'inspirent souvent des comportements de locomotion multifonctionnels des animaux et devraient améliorer l'efficacité des robots autonomes mobiles qui doivent faire face à des environnements changeants et non structurés.

Par exemple, une étude menée par des chercheurs de l’Université d’État du Colorado il y a quelques années présenté¹ un schéma de morphing de forme intégré pour les systèmes robotiques morphologiquement adaptatifs.

Les chercheurs ont développé trois robots capables de modifier leurs jambes et leur corps selon les besoins pour se déplacer sur des terrains difficiles. Ces systèmes ont été conçus pour imiter la façon dont les organismes biologiques, comme les grenouilles, adaptent leur forme en fonction de leur environnement et de leur cycle de vie. Pour développer ces robots, les chercheurs ont utilisé des matériaux qui peuvent devenir souples ou rigides selon les variations de température et se déplacer sans systèmes d'alimentation encombrants.

Son système de morphing intégré utilise un muscle artificiel léger, très semblable à un muscle humain, qui se contracte lorsque l'électricité est appliquée, permettant aux chercheurs d'obtenir une variété de types de formes et les rendant plus polyvalents et mieux équipés pour naviguer dans des environnements difficiles. 

Des recherches récentes ont utilisé des appendices multifonctionnels et des modifications de la forme corporelle pour améliorer les mouvements, permettant des manœuvres auparavant impossibles. Cependant, une capacité des morphobots qui a été moins étudiée est leur capacité à changer de forme en plein vol, améliorant ainsi les déplacements terrestres et aériens.

Cela peut donner aux morphobots la capacité de contourner le besoin d'interaction sol-véhicule pendant la transformation. 

Le changement en plein vol peut offrir un chemin fiable vers l'agilité comportementale et la sécurité de la mission dans des scénarios où la transformation du sol peut ne pas être possible en raison d'un terrain accidenté obstruant le mouvement au sol des appendices du robot.

Les ingénieurs de Caltech ont donc présenté leur étude, qui visualise une manœuvre de transition aérienne reliant le vol et la conduite.

Cette manœuvre est appelée atterrissage dynamique des roues, où l'objectif est d'avoir une transition en douceur du vol à la conduite en se transformant près du sol et en atterrissant sur des appendices de propulseur de roue à double usage avec une configuration aussi proche que possible de la conduite, ce qui signifie le plus grand angle d'inclinaison possible, tout en obtenant la vitesse d'impact souhaitée. 

Contrairement aux manœuvres d'atterrissage conventionnelles du quadrirotor, dans lesquelles le robot atterrit généralement par descente verticale et non transformante, la manœuvre présentée dans l'étude implique une morpho-transition, ce qui signifie un passage entre deux modes via une morphologie proche du sol.

Mais réaliser ce genre de manœuvre n’est pas une tâche facile ; c’est plutôt un défi du point de vue de la conception, de la modélisation et du contrôle. 

Non seulement la manœuvre nécessite un couple accru pour résister aux forces de poussée de manière constante, mais elle introduit également de nouveaux couplages dynamiques entre les limites de l'actionneur et les degrés de liberté du robot. Le fonctionnement aérien autonome à proximité du sol est déjà un problème complexe connu en raison des effets de l'aérodynamique au sol. De plus, l'aérodynamique du vol morphing et de la transformation à proximité du sol est largement méconnue. 

Pour relever ces défis, les chercheurs de Caltech ont conçu l'Aerially Transforming Morphobot (ATMO) spécifiquement pour résoudre le problème de la transformation en plein vol.

À l'intérieur d'ATMO : le robot transformateur du monde réel expliqué

Publié dans la revue Communications Engineering, le étude, soutenu par un financement du Centre pour les systèmes et technologies autonomes de Caltech, relève le défi de la transformation aérienne des Morphobots en concevant un robot volant-pilote appelé ATMO.

Ce robot est spécialisé dans la transformation en plein vol grâce à un mécanisme de morphing qui permet de changer la forme du corps en plein vol tout en nécessitant une actionnement minimal.

Il utilise quatre propulseurs pour voler, tandis que les carénages qui les protègent deviennent les roues du système dans une configuration de conduite alternative. Cette transformation repose entièrement sur un seul moteur pour actionner une articulation centrale, qui propulse les propulseurs vers le haut en mode drone ou vers le bas en mode propulsion.

Le nouveau système robotique s'inspire de la nature. L'auteur principal, Ioannis Mandralis, étudiant diplômé en aérospatiale à Caltech, illustre comment les oiseaux volent et ajustent leur morphologie corporelle pour ralentir et éviter les obstacles. 

« Avoir la capacité de se transformer dans les airs ouvre de nombreuses possibilités d’amélioration de l’autonomie et de la robustesse. »

– Mandralis

Et même si voir un oiseau atterrir et courir semble assez simple, ce n’est pas le cas.

« En réalité, il s'agit d'un problème auquel l'industrie aérospatiale s'efforce de faire face depuis probablement plus de 50 ans », a déclaré Mory Gharib, professeur Hans W. Liepmann d'aéronautique et d'ingénierie médicale et directeur et titulaire de la chaire de leadership Booth-Kresa du Centre pour les systèmes et technologies autonomes (CAST) de Caltech, où les chercheurs collaborent pour faire progresser la recherche sur les drones, l'exploration autonome et les systèmes bio-inspirés.

Tous les véhicules volants doivent faire face à des forces complexes à proximité du sol. 

Dans le cas des hélicoptères, lors de l'atterrissage, leurs propulseurs propulsent une grande quantité d'air vers le bas. La portance et la poussée sont alors assurées par les rotors en rotation. Lorsque le flux d'air touche le sol, une partie remonte. Ainsi, si l'hélicoptère descend trop vite, il peut être aspiré par ce tourbillon d'air et perdre sa portance.

En ce qui concerne l'ATMO, les choses se compliquent encore davantage, car il doit faire face à des forces proches du sol tout en disposant de quatre réacteurs dont l'amplitude de tir varie constamment. Cela crée davantage de turbulences et, par conséquent, d'instabilité.

Afin de mieux comprendre la force aérodynamique, les ingénieurs ont mené des expériences dans le laboratoire de drones du CAST.

Pour étudier comment la modification de la configuration du robot lors de l'atterrissage affecte sa force de poussée, l'équipe a mené des expériences sur des cellules de charge, qui consistent à mesurer la force appliquée à un objet à l'aide d'une cellule de charge, un dispositif qui convertit la force mécanique en un signal électrique.

Les chercheurs ont également mené des expériences de visualisation de fumée, qui sont utilisées pour rendre visibles les schémas de flux d’air, afin de découvrir la situation sous-jacente qui conduit à ces changements de dynamique.

Une fois recueillies, les informations ont ensuite été intégrées à l’algorithme derrière le nouveau système de contrôle que les chercheurs ont créé pour ATOM.

Ce système utilise une technique de contrôle avancée appelée contrôle prédictif du modèle, qui prédit en permanence la manière dont le système se comportera dans un avenir proche, puis ajuste ses actions pour rester sur la bonne voie.

Selon Mandralis :

L'algorithme de contrôle constitue la principale innovation de cette étude. Les quadrirotors utilisent des contrôleurs spécifiques en raison du positionnement de leurs propulseurs et de leur mode de vol. Nous introduisons ici un système dynamique inédit. Dès que le robot commence à se transformer, on observe différents couplages dynamiques, c'est-à-dire différentes forces interagissant entre elles. Le système de contrôle doit pouvoir réagir rapidement à tout cela.

Test ATMO : comment les ingénieurs ont validé la transformation en vol

L'ATMO, développé par les ingénieurs de Caltech, est capable de piloter et de voler grâce à ses appendices à double fonction, grâce à la transformation de forme. Mais ce qui distingue ATMO des autres robots de ce type, c'est son mécanisme d'actionneur d'inclinaison autobloquant, qui permet une transformation en plein vol grâce à une conception plus simple, un coût réduit et des besoins d'actionnement minimes.

En mode vol, le robot est configuré comme un quadricoptère standard et utilise ses propulseurs à roues pour sa propulsion. En mode propulsion, ces mêmes propulseurs sont réutilisés pour la locomotion sur roues. 

Le robot compact ainsi obtenu pèse 5.5 kg, batterie comprise. Ses dimensions sont les suivantes : 33 cm de haut et 30 cm de large en configuration terrestre, et 16 cm de haut et 65 cm de large en configuration aérienne.

Pour la conduite, ATMO utilise deux systèmes de courroies-poulies situés de chaque côté, qui sont actionnés par des moteurs d'entraînement, permettant une direction à entraînement différentiel.

Outre un ordinateur embarqué exécutant un contrôleur personnalisé, le robot est également équipé de capteurs embarqués pour l'estimation et la fusion d'état. L'ensemble de la communication s'effectue via le logiciel avancé ROS2. 

Pour valider le système, le contrôleur a été appliqué à un atterrissage de roue dynamique dans la zone de vol CAST en utilisant un système de capture de mouvement pour permettre l'estimation de l'état.

Dans cette expérience, le contrôleur a été utilisé pour suivre une trajectoire de référence dans l'espace qui comprenait une descente avec un certain mouvement vers l'avant tout en inclinant les propulseurs de roue, en atterrissant sur les roues, puis en avançant.

Le schéma de contrôle basé sur un modèle est développé pour couvrir l'ensemble des opérations de vol, de conduite et de transition. Pour résoudre le problème de saturation des actionneurs qui survient lorsque le robot incline ses propulseurs pour atterrir sur roues, l'équipe a « décomposé la fonction objectif de contrôle en une combinaison convexe de fonctions objectifs spécialisées pour chaque mode de locomotion ».

Cela a fourni un cadre flexible pour contrôler les systèmes pendant la transition du sol à l’air.

Le contrôleur développé a permis des atterrissages avec des angles d'inclinaison supérieurs aux limites de saturation de l'actionneur. Cela permet au nouveau robot de franchir des terrains accidentés. 

Avec un angle d'inclinaison final à l'atterrissage de 65°, le robot a démontré sa capacité à atterrir avec succès à un angle d'inclinaison supérieur à l'angle critique. L'étude souligne que ce résultat est obtenu grâce à la modification de la fonction de coût pendant la phase de transition. Ainsi, ATMO peut continuer à incliner ses propulseurs tout en conservant l'attitude souhaitée. 

Pour valider la méthode de contrôle, l’équipe a effectué un décollage en conduite, suivi d’un atterrissage dynamique sur roues.

Ils ont également présenté un cas d'utilisation important de transformation en vol, une manœuvre inverse consistant en un décollage rapide accompagné d'un mouvement de conduite vers l'avant, en plus d'un atterrissage sur une pente.

Dans l'expérience, ATMO a pu atterrir en douceur sur une pente de hauteur et de position connues, ce qui peut être dangereux en raison du risque de basculement, et peut être évité en se transformant avant l'atterrissage et en continuant à conduire. 

Dans l’ensemble, la validation expérimentale du fonctionnement et de la viabilité de ces robots montre que « l’utilisation de la transformation robotique en vol peut donner lieu à des manœuvres dynamiques de transition sol-air qui améliorent l’agilité du robot et étendent la portée opérationnelle – ouvrant la voie à une plus grande autonomie dans les futures missions robotiques mobiles », a noté l’étude.

Bien que l'équipe ait démontré avec succès des manœuvres de transition dynamique, les conditions ont été contrôlées pour faciliter un développement rapide. Par exemple, un système de caméra de capture de mouvement a été utilisé pour estimer avec précision et rapidité la position et l'orientation du système robotique, surpassant ainsi les performances des capteurs embarqués existants.

Des recherches plus approfondies sont donc nécessaires pour déterminer comment ces manœuvres fonctionnent dans le monde réel, où les robots doivent faire face à des terrains plus complexes et non structurés et prendre des décisions basées sur des informations partielles de capteurs, qui sont sujettes au bruit.

 Investir dans la robotique : pourquoi Amazon (AMZN) se démarque

Lorsqu'il s'agit d'un nom important dans l'industrie de la robotique, le géant du commerce électronique Amazon (AMZN ) a fait beaucoup de progrès dans ce domaine. Diriger la robotiqueAmazon a acquis Kiva Systems en 2012 pour 775 millions de dollars, rebaptisée plus tard Amazon Robotics LLC. L'entreprise a ensuite dévoilé son tout premier robot mobile autonome (AMR), baptisé Proteus, en 2022.

Amazon (AMZN ) 

En mai 2025, Amazon (lire ici) disposant de plus de 750,000 XNUMX robots déployés dans ses opérations qui trient, soulèvent et transportent des colis. 

« Des années d'innovation nous ont permis de construire, de tester et de faire évoluer cette suite unique et hautement intégrée de systèmes robotiques qui aident les employés à exécuter les commandes des clients. »

– Scott Dresser, vice-président d'Amazon Robotics

Selon lui, les progrès de l’IA ont permis leur intégration transparente, ce qui entraîne une amélioration de la productivité estimée à 25 % dans ses installations de traitement des commandes.

Il existe au total neuf robots. Parmi eux, Proteus, le robot mobile autonome propriétaire d'Amazon, conçu pour évoluer autour des humains grâce à des capteurs et à un mélange de systèmes basés sur l'IA et le Machine Learning. 

Robin est un bras robotisé chargé de trier les colis et ayant déjà transporté plus de trois milliards de colis. Cardinal est un autre bras robotisé qui place les colis dans des chariots. Sparrow est également un bras robotisé qui ramasse et déplace des objets individuels.

Sequoia utilise la robotique, l'IA et des systèmes de vision par ordinateur pour consolider ses stocks. Hercules trouve et apporte des colis aux employés, tandis que Titan fait de même, mais avec la capacité de soulever deux fois plus de charges qu'Hercules. Vulcan est également le premier robot d'Amazon doté du sens du toucher et travaillant aux côtés des employés. 

De plus, une variété de systèmes d'innovation en matière d'emballage sont utilisés pour emballer les commandes des clients, avec une machine d'automatisation d'emballage utilisée pour créer des sacs en papier sur mesure.

Amazon affiche désormais une capitalisation boursière de 2.18 205.8 milliards de dollars, son action s'échangeant à 6.24 dollars au moment de la rédaction de cet article, en baisse de 6.13 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur 33.55 mois) est de 25.24, son PER (sur XNUMX mois) de XNUMX et son ROE (sur XNUMX mois) de XNUMX %.

En ce qui concerne les finances, Amazon a déclaré un chiffre d'affaires net de 155.7 milliards de dollars au premier trimestre clos le 31 mars 2025. Les ventes ont augmenté de 8 % en glissement annuel en Amérique du Nord pour atteindre 92.9 milliards de dollars et de 5 % en glissement annuel à l'international pour atteindre 33.5 milliards de dollars.

Pour cette période, Amazon rapporté un résultat d'exploitation de 18.4 milliards de dollars, un résultat net de 17.1 milliards de dollars, soit 1.59 dollar par action diluée, et un flux de trésorerie d'exploitation de 113.9 milliards de dollars. Le flux de trésorerie disponible de la société a diminué à 25.9 milliards de dollars.

« Nous sommes satisfaits du début de l'année 2025, en particulier de notre rythme d'innovation et de nos progrès dans l'amélioration continue de l'expérience client », a déclaré le PDG Andy Jassy, ​​qui a noté que la prochaine génération d'Alexa (Alexa+) devenait « significativement plus intelligente » et plus performante, que les nouvelles puces Trainium2 et l'extension du modèle Bedrock facilitaient la formation des modèles et l'exécution rentable des inférences pour les clients AWS, et que les premiers satellites du projet Kuiper étaient lancés avec succès en orbite terrestre basse pour fournir un accès haut débit de masse.

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Actualités et développements récents concernant l'action Amazon (AMZN)

Conclusion : Pourquoi ATMO marque une nouvelle ère dans la robotique

Le monde de la robotique exploite l'ingénierie bio-inspirée, la transformation en vol et les systèmes de contrôle intelligents pour concevoir des robots terrestres-aériens qui ont été difficiles en raison des exigences accrues d'actionnement, qui peuvent ajouter du poids et réduire l'efficacité de leur locomotion.

Les ingénieurs de Caltech ont réussi cet exploit grâce à ATMO, un robot qui se transforme près du sol avec une transition en douceur entre les modes aérien et terrestre en exploitant l'aérodynamique près du sol et en stabilisant le système à l'aide d'un contrôleur prédictif de modèle.

ATMO marque une étape clé dans la transition entre mobilité aérienne et terrestre, validée par de nombreuses démonstrations expérimentales. Grâce à ses capacités transformatrices en conditions réelles, le robot présente un potentiel considérable pour redéfinir les opérations autonomes dans tous les secteurs et ouvrir la voie à des machines plus agiles, résilientes et adaptatives !

Cliquez ici pour découvrir comment les robots peuvent s’inspirer de la nature.

Études référencées :

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C., et Zhao, J. (2023). Transformation de forme intégrée pour robots morphologiquement adaptatifs. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}