Transformers nel mondo reale? Gli ingegneri creano robot che si trasformano a mezz'aria

Il mondo della robotica sta avanzando rapidamente. Dai robot operai ai robot umanoidi, più agili e capaci di movimenti complessi, stiamo entrando in una nuova era della robotica. 

Solo il mese scorso, i ricercatori hanno creato robot interattivi che si comportano come cavalli da terapia, rispondendo alle emozioni umane; un robot morbido ma intelligente che si muove e afferra gli oggetti percependo l'ambiente circostante, proprio come un polipo; e cane robotico che imita i mammiferi garantendo una mobilità superiore sia sulla terraferma che in acqua.

Gli ingegneri hanno persino inventato un muscolo auto-riparante per robot in grado di rilevare lesioni, curarle e quindi ripristinarsi per rilevare danni futuri. La capacità di controllare i robot da remoto è stata introdotta anche la possibilità di percepire l'interazione a portata di mano.

In mezzo a tutto questo, un team di ingegneri ha ora sviluppato un vero e proprio Transformer in grado di cambiare forma mentre è in aria. Questa trasformazione a mezz'aria consente al robot di rotolare via senza sforzo e poi iniziare le sue operazioni a terra senza interruzioni. 

Grazie a questa capacità, gli ingegneri del Caltech hanno superato la sfida con robot specializzati in grado di guidare e volare senza rimanere bloccati su terreni accidentati. La maggiore flessibilità di questi robot può essere particolarmente vantaggiosa per gli esploratori robotici e le consegne.

Perché i robot terrestri e aerei hanno difficoltà negli ambienti del mondo reale

Un movimento terra-aria efficace è fondamentale per un'ampia gamma di applicazioni robotiche; tuttavia, né i robot terrestri né quelli aerei sono ancora in grado di funzionare in modo affidabile nel mondo reale. 

Mentre i robot terrestri sono limitati dal loro raggio d'azione, che rende loro impossibile superare ostacoli alti o svolgere attività di ispezione, i robot aerei devono affrontare il problema delle prestazioni limitate della batteria a causa dei requisiti di carico utile e dei problemi di sicurezza quando volano in un ambiente urbano.

Queste sfide che i sistemi autonomi di oggi devono affrontare possono essere superate combinando capacità aeree e terrestri. Pertanto, il team di ingegneri del Caltech si concentra sullo sviluppo di robot terra-aerei.

La progettazione di molti di questi robot tende a basarsi sulla filosofia della ridondanza e sull'uso di più attuatori per soddisfare i requisiti di movimento bimodale.

Tuttavia, questi progetti di robot ridondanti finiscono spesso per utilizzare più attuatori e componenti del necessario, con conseguente aumento di peso e costi.

In questo caso, i morfobot, ovvero i robot che riutilizzano le stesse appendici per compiti diversi cambiando forma, possono generare diverse modalità di locomozione riducendo al contempo sia la complessità del sistema che il peso.

Questi tipi di progettazione di robot spesso traggono ispirazione dai comportamenti di locomozione multifunzionali degli animali e si prevede che aumenteranno l'efficacia dei robot mobili autonomi che devono affrontare ambienti mutevoli e non strutturati.

Ad esempio, uno studio condotto dai ricercatori della Colorado State University un paio di anni fa presentata¹ uno schema di modifica della forma incorporato per sistemi robotici morfologicamente adattabili.

I ricercatori hanno sviluppato tre robot in grado di modificare gambe e corpo a seconda delle necessità per muoversi su terreni difficili. Questi sistemi sono stati progettati per imitare il modo in cui gli organismi biologici, come le rane, adattano la propria forma a seconda dell'ambiente e del ciclo vitale. Per sviluppare questi robot, i ricercatori hanno utilizzato materiali che possono diventare morbidi o rigidi al variare della temperatura e muoversi senza ingombranti sistemi di alimentazione.

Il suo schema di morphing incorporato sfrutta un muscolo artificiale leggero, molto simile a quello umano, che si contrae quando viene applicata elettricità, consentendo ai ricercatori di ottenere vari tipi di forme e rendendoli più versatili e meglio attrezzati per muoversi in ambienti difficili. 

Ricerche recenti hanno utilizzato appendici multifunzionali e modifiche della forma del corpo per migliorare il movimento, consentendo manovre prima impensabili. Ma una capacità dei morfobot che non è stata ancora studiata a fondo è la loro capacità di cambiare forma a mezz'aria, che migliora sia i movimenti a terra che quelli in aria.

Ciò può fornire ai morphobot la capacità di eludere la necessità di interazione tra veicolo e terra durante la trasformazione. 

Il cambiamento a mezz'aria può offrire un percorso affidabile per l'agilità comportamentale e la sicurezza della missione in scenari in cui il morphing a terra potrebbe non essere possibile a causa del terreno accidentato che ostacola il movimento a terra delle appendici del robot.

Gli ingegneri del Caltech hanno quindi presentato il loro studio, che visualizza una manovra di transizione aerea che collega il volo alla guida.

Questa manovra è chiamata atterraggio dinamico delle ruote, in cui l'obiettivo è quello di avere una transizione graduale dal volo alla guida, trasformandosi vicino al suolo e atterrando su appendici a propulsione a ruota a doppio scopo con una configurazione il più possibile vicina a quella di guida, ovvero con il massimo angolo di inclinazione possibile, ottenendo al contempo la velocità di impatto desiderata. 

A differenza delle manovre di atterraggio convenzionali dei quadricotteri, in cui il robot atterra generalmente con una discesa verticale e senza trasformazione, la manovra presentata nello studio prevede una morfo-transizione, ovvero il passaggio tra due modalità tramite morphing in prossimità del suolo.

Ma realizzare questo tipo di manovra non è un compito facile; anzi, è una sfida dal punto di vista della progettazione, della modellazione e del controllo. 

La manovra non solo richiede una coppia maggiore per resistere in modo costante alle forze di spinta, ma introduce anche nuovi accoppiamenti dinamici tra i limiti dell'attuatore e i gradi di libertà del robot. Il funzionamento autonomo in volo vicino al suolo è già un problema noto e complesso a causa degli effetti dell'aerodinamica terrestre. Inoltre, l'aerodinamica del volo morphing e della trasformazione in prossimità del suolo è in gran parte sconosciuta. 

Per affrontare queste sfide, i ricercatori del Caltech hanno progettato l'Aerially Transforming Morphobot (ATMO) appositamente per risolvere il problema della trasformazione a mezz'aria.

Dentro ATMO: il robot trasformatore del mondo reale spiegato

Pubblicato sulla rivista Communications Engineering, il studio, supportato dai finanziamenti del Center for Autonomous Systems and Technologies del Caltech, affronta la sfida della trasformazione aerea dei Morphobot progettando un robot volante e pilota chiamato ATMO.

Questo robot è specializzato nella trasformazione a mezz'aria attraverso un meccanismo di morphing che consente di modificare la forma del corpo durante il volo con una minima attuazione.

Utilizza quattro propulsori per volare, mentre le coperture che li proteggono diventano le ruote del sistema in una configurazione di guida alternativa. L'intera trasformazione si basa su un singolo motore che muove un giunto centrale, che spinge i propulsori verso l'alto in modalità drone o verso il basso in modalità guida.

Il nuovo sistema robotico trae ispirazione dalla natura: l'autore principale Ioannis Mandralis, studente laureato in ingegneria aerospaziale al Caltech, illustra come gli uccelli volano e adattano la morfologia del loro corpo per rallentare ed evitare gli ostacoli. 

"La capacità di trasformarsi in aria apre numerose possibilità per una maggiore autonomia e robustezza."

– Mandralis

Anche se vedere un uccello atterrare e correre sembra piuttosto semplice, non lo è.

"In realtà questo è un problema con cui l'industria aerospaziale lotta da oltre 50 anni", ha affermato Mory Gharib, professore di aeronautica e ingegneria medica Hans W. Liepmann e direttore e Booth-Kresa Leadership Chair del Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) del Caltech, dove i ricercatori collaborano per far progredire la ricerca sui droni, l'esplorazione autonoma e i sistemi bio-ispirati.

Tutti i veicoli volanti devono far fronte a forze complesse che agiscono in prossimità del suolo. 

Nel caso degli elicotteri, quando atterrano, i loro propulsori spingono molta aria verso il basso. Qui, la portanza e la spinta sono fornite dai rotori in rotazione. Quando il flusso d'aria colpisce il suolo, una parte di esso torna a circolare verso l'alto. Quindi, se l'elicottero scende troppo velocemente, può essere risucchiato in questo vortice d'aria e perdere la sua portanza.

Quando si parla di ATMO, le cose si complicano ulteriormente perché si deve fare i conti con le forze vicine al suolo e con quattro getti che cambiano continuamente la loro direzione di rotazione l'uno verso l'altro. Questo crea maggiore turbolenza e, di conseguenza, instabilità.

Per comprendere meglio la forza aerodinamica, gli ingegneri hanno condotto degli esperimenti nel laboratorio dei droni del CAST.

Per studiare in che modo la modifica della configurazione del robot durante l'atterraggio influisce sulla sua forza di spinta, il team ha condotto esperimenti con celle di carico, che prevedono la misurazione della forza applicata a un oggetto mediante una cella di carico, un dispositivo che converte la forza meccanica in un segnale elettrico.

I ricercatori hanno anche condotto esperimenti di visualizzazione del fumo, utilizzati per rendere visibili i modelli del flusso d'aria, per scoprire la situazione di fondo che porta a questi cambiamenti nelle dinamiche.

Una volta raccolte, le informazioni sono state inserite nell'algoritmo alla base del nuovo sistema di controllo creato dai ricercatori per ATOM.

Questo sistema utilizza una tecnica di controllo avanzata denominata controllo predittivo del modello, che prevede costantemente il comportamento del sistema nel prossimo futuro e ne adegua le azioni per mantenerlo in linea.

Secondo Mandralis:

"L'algoritmo di controllo è la più grande innovazione di questo articolo. I quadricotteri utilizzano controller specifici a seconda del posizionamento dei propulsori e del modo in cui volano. Qui introduciamo un sistema dinamico mai studiato prima. Non appena il robot inizia a trasformarsi, si ottengono diversi accoppiamenti dinamici, forze diverse che interagiscono tra loro. E il sistema di controllo deve essere in grado di rispondere rapidamente a tutto questo."

Test ATMO: come gli ingegneri hanno convalidato la trasformazione a mezz'aria

L'ATMO degli ingegneri del Caltech è riuscito sia a guidare che a volare utilizzando le appendici a doppio scopo grazie alla capacità di mutare forma. Ma ciò che distingue l'ATMO da altri robot simili è il "meccanismo di attuatore di inclinazione autobloccante" che consente la trasformazione a mezz'aria con un design più semplice, costi inferiori e requisiti di attuazione minimi.

In modalità di volo, il robot è configurato come un quadricottero standard e utilizza i suoi propulsori a ruota per la propulsione. In modalità di guida, queste stesse appendici vengono riutilizzate per la locomozione su ruote. 

Il robot compatto risultante ha un peso totale di 5.5 kg, batteria inclusa. Per quanto riguarda le dimensioni, il robot è alto 33 cm e largo 30 cm in configurazione a terra e alto 16 cm e largo 65 cm in configurazione aerea.

Per la guida, ATMO utilizza due sistemi di cinghie e pulegge, posizionati su entrambi i lati, azionati da motori di azionamento, consentendo lo sterzo con trazione differenziale.

Oltre ad avere un computer integrato che gestisce un controller personalizzato, il robot è anche dotato di sensori integrati per la stima e la fusione dello stato. Tutta la comunicazione avviene tramite il software avanzato ROS2. 

Per convalidare il sistema, il controller è stato applicato a un atterraggio dinamico delle ruote nell'area di volo CAST utilizzando un sistema di cattura del movimento per consentire la stima dello stato.

In questo esperimento, il controller è stato utilizzato per tracciare una traiettoria di riferimento nello spazio che comprendeva una discesa con un po' di movimento in avanti durante l'angolazione dei propulsori delle ruote, l'atterraggio sulle ruote e la successiva guida in avanti.

Lo schema di controllo basato su modello è stato sviluppato per coprire l'intero pacchetto operativo di volo, guida e transizione. Per affrontare il problema di saturazione degli attuatori che si verifica quando il robot inclina i propulsori per atterrare sulle ruote, il team "ha utilizzato una scomposizione della funzione obiettivo di controllo in una combinazione convessa di funzioni obiettivo specializzate per ciascuna modalità di locomozione".

Ciò ha fornito un quadro flessibile per il controllo dei sistemi durante la transizione da terra ad aria.

Il controller sviluppato ha consentito atterraggi con angoli di inclinazione superiori ai limiti di saturazione dell'attuatore. Ciò consente al nuovo robot di superare terreni accidentati. 

Con un angolo di inclinazione finale all'atterraggio di 65°, il robot ha dimostrato di essere in grado di atterrare con successo con un angolo di inclinazione superiore all'angolo critico. Questo, come ha osservato lo studio, è stato ottenuto grazie alla variazione della funzione di costo durante la fase di transizione e, di conseguenza, ATMO può continuare a inclinare i suoi propulsori a ruota mantenendo l'assetto desiderato. 

Per convalidare il metodo di controllo, il team ha eseguito un decollo in assetto di guida, seguito da un atterraggio dinamico delle ruote.

Hanno inoltre presentato un importante caso d'uso di trasformazione a mezz'aria, una manovra inversa che consiste in un decollo rapido insieme a un movimento di avanzamento, oltre all'atterraggio su un pendio.

Nell'esperimento, ATMO è riuscito ad atterrare dolcemente su un pendio di altezza e posizione note, il che potrebbe essere pericoloso a causa del rischio di ribaltamento e può essere evitato cambiando direzione prima dell'atterraggio e continuando a guidare. 

Nel complesso, la convalida sperimentale del funzionamento e della fattibilità di questi robot dimostra che "l'utilizzo della trasformazione robotica a mezz'aria può dare luogo a manovre dinamiche di transizione terra-aria che migliorano l'agilità del robot ed espandono il raggio operativo, aprendo la strada a una maggiore autonomia nelle future missioni robotiche mobili", si legge nello studio.

Sebbene il team abbia dimostrato con successo manovre di transizione dinamica, le condizioni qui sono state controllate per facilitare uno sviluppo rapido. Ad esempio, è stato utilizzato un sistema di telecamere con motion capture per stimare con precisione e rapidità la posizione e l'orientamento del sistema robotico, superando quanto ottenibile con i sensori di bordo esistenti.

Sono quindi necessarie ulteriori indagini per stabilire come funzionano queste manovre nel mondo reale, dove i robot devono affrontare terreni più complessi e non strutturati e prendere decisioni basate su informazioni parziali dei sensori, soggette a rumore.

 Investire nella robotica: perché Amazon (AMZN) si distingue

Quando si tratta di un nome di spicco nel settore della robotica, il gigante dell'e-commerce Amazon (AMZN ) ha fatto molti progressi in questo campo. Per guidare la roboticaAmazon ha acquisito Kiva Systems per la prima volta nel 2012 per 775 milioni di dollari, rinominandola successivamente Amazon Robotics LLC. L'azienda ha poi presentato il suo primo robot mobile autonomo (AMR) in assoluto, chiamato Proteus, nel 2022.

Amazon (AMZN ) 

A partire da maggio 2025, Amazon rapporti con oltre 750,000 robot impiegati nelle sue attività per smistare, sollevare e trasportare i pacchi. 

Anni di innovazione ci hanno permesso di costruire, testare e ampliare questa suite unica e altamente integrata di sistemi robotici che supportano i dipendenti nell'evasione degli ordini dei clienti.

– Scott Dresser, vicepresidente di Amazon Robotics

Secondo lui, i progressi nell'intelligenza artificiale hanno consentito una perfetta integrazione, che si traduce in un miglioramento della produttività stimato del 25% presso i suoi stabilimenti di evasione degli ordini.

Ci sono in totale nove robot. Tra questi, Proteus, il robot mobile autonomo proprietario di Amazon progettato per lavorare intorno alle persone utilizzando sensori e una combinazione di sistemi basati su intelligenza artificiale e apprendimento automatico. 

Robin è un braccio robotico che si occupa dello smistamento dei pacchi e ha completato con successo oltre tre miliardi di movimentazioni. Un altro braccio robotico è Cardinal, che posiziona i pacchi sui carrelli. Anche Sparrow è un braccio robotico che preleva e sposta singoli oggetti.

Sequoia utilizza sistemi di robotica, intelligenza artificiale e visione artificiale per consolidare l'inventario. Hercules trova e porta gruppi di oggetti ai dipendenti, mentre Titan ha lo stesso compito, ma con una capacità di sollevamento doppia rispetto a Hercules. Infine, c'è Vulcan, il primo robot di Amazon dotato di senso del tatto che lavora a fianco dei dipendenti. 

Inoltre, per confezionare gli ordini dei clienti vengono utilizzati diversi sistemi di innovazione nel settore del packaging, con una macchina per l'automazione del packaging impiegata per creare sacchetti di carta su misura.

Amazon vanta ora una capitalizzazione di mercato di 2.18 miliardi di dollari, con le sue azioni scambiate a 205.8 dollari al momento della stesura di questo articolo, in calo del 6.24% da inizio anno. Ha un utile per azione (TTM) di 6.13, un rapporto prezzo/utili (TTM) di 33.55 e un ROE (TTM) del 25.24%.

Per quanto riguarda i dati finanziari, Amazon ha registrato un fatturato netto di 155.7 miliardi di dollari nel primo trimestre conclusosi il 31 marzo 2025. Le vendite sono aumentate dell'8% su base annua in Nord America, raggiungendo i 92.9 miliardi di dollari, e del 5% su base annua a livello internazionale, raggiungendo i 33.5 miliardi di dollari.

Per questo periodo, Amazon segnalati un utile operativo di 18.4 miliardi di dollari, un utile netto di 17.1 miliardi di dollari, pari a 1.59 dollari per azione diluita, e un flusso di cassa operativo di 113.9 miliardi di dollari. Il flusso di cassa libero dell'azienda è sceso a 25.9 miliardi di dollari.

"Siamo soddisfatti dell'inizio del 2025, in particolare del ritmo dell'innovazione e dei progressi nel continuo miglioramento delle esperienze dei clienti", ha affermato l'amministratore delegato Andy Jassy, ​​che ha sottolineato come Alexa di nuova generazione (Alexa+) stia diventando "significativamente più intelligente" e più capace, come i nuovi chip Trainium2 e l'espansione del modello Bedrock abbiano reso più semplice per i clienti AWS addestrare modelli ed eseguire inferenze in modo economicamente vantaggioso, e come i primi satelliti del progetto Kuiper siano stati lanciati con successo nell'orbita terrestre bassa per fornire a un vasto pubblico l'accesso alla banda larga.

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Ultime notizie e sviluppi sulle azioni Amazon (AMZN)

Conclusione: perché ATMO segna una nuova era nella robotica

Il mondo della robotica sta sfruttando l'ingegneria bioispirata, la trasformazione a mezz'aria e i sistemi di controllo intelligenti per progettare robot terra-aerei che si sono rivelati difficili da realizzare a causa delle crescenti esigenze di attuazione, che possono aggiungere peso e ridurre l'efficienza della loro locomozione.

Gli ingegneri del Caltech hanno raggiunto questo obiettivo grazie ad ATMO, un robot che si trasforma in prossimità del suolo con una transizione graduale tra la modalità aerea e quella terrestre, sfruttando l'aerodinamica in prossimità del suolo e stabilizzando il sistema mediante un controller basato su modelli predittivi.

ATMO rappresenta un passo fondamentale nel colmare il divario tra mobilità aerea e terrestre, come dimostrato da numerose dimostrazioni sperimentali. Grazie alle sue capacità di trasformazione nel mondo reale, il robot dimostra un enorme potenziale nel ridefinire le operazioni autonome in tutti i settori e aprendo la strada a macchine più agili, resilienti e adattabili!

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Studi citati:

^{1. Sun, J., Lerner, E., Tighe, B., Middlemist, C. e Zhao, J. (2023). Morfismo di forme incorporato per robot morfologicamente adattivi. Nature Communications, 14(1), 6023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41708-6}