비행과 수영이 모두 가능한 곤충 크기의 로봇

비행과 수영이 모두 가능한 곤충 크기의 로봇 비행과 수영이 모두 가능한 곤충 크기의 로봇 정대상 기자입력2015-11-02 11:22:45

미국 하버드 대(Harvard University)의 미세 로봇 공학 연구실(Microrobotics Lab)이 작은 날개를 초당 120번 정도로 거의 보이지 않게 펄럭거리면서 곤충처럼 날고 허공을 맴돌 수 있는 종이 집게(paperclip) 보다 더 작은 미세 로봇을 개발하였다.

러시아 공학자는 1939년에 공기에서 물로, 다시 물에서 공기로 매끄럽게 전환할 수 있는 차량인 ‘비행 잠수함(flying submarine)’을 제안하였다. 제임스 본드 영화처럼 들릴지 모르겠지만, 공학자들은 수십 년 동안 하늘을 나는 동시에 물속에서 갈 수 있는 차량을 설계하기 위하여 노력했지만, 거의 성공하지 못하였다. 이제 공학자들이 달성하기 힘든 비행 잠수함을 실현하는 데에 한 발짝 더 다가선 것일 수 있다.

가장 큰 난관은 공기와 수중에서 서로 다른 설계 요구 사항이 충돌하는 것이다. 공중을 비행하는 차량은 양력을 만들기 위하여 날개와 같은 대형 익형(airfoil)을 요구하지만, 수중 차량은 항력을 줄이기 위하여 표면적을 최소화할 필요가 있다.

이것을 해결하기 위하여 미국 하버드 대 공학 및 응용과학부(SEAS: John A. Paulson School of Engineering and Applied Science)의 공학자들은 바다오리(puffin)로부터 단서를 찾았다. 화려한 부리를 가진 바다오리는 자연에서 발견되는 가장 능숙한 공기 및 수중 양용 이동체라고 볼 수 있으며, 물속뿐만 아니라 공기 중에서도 추진하기 위하여 비슷한 펄럭거림 메커니즘을 채용한다.

"우리는 다양한 이론적, 수치적, 실험적 연구를 통하여 펄럭거림에 의한 추진 메커니즘이 실제로 공기 중과 물속에서 매우 유사하다는 것을 발견하였다. 두 경우 모두 날개가 앞뒤로 움직인다. 유일한 차이점은 날개가 펄럭이는 속도”라고 하버드 대 공학 및 응용과학부(SEAS) 미세 로봇 공학 연구실(Microrobotics Lab) 소속의 대학원생인 케빈 첸(Kevin Chen)이 말했다. 이러한 발견은 수영할 수 있는 소형 비행 로봇인 로보비(RoboBee)를 가능케 하였다.

하버드 대 공학 및 응용과학부(SEAS) 연구자들은 수영과 비행이 모두 가능한 곤충 형태의 로봇을 시연하였으며, 이는 공기 및 물 모두에서 사용할 수 있는 미래의 로봇 차량을 위한 길을 닦은 것이다. 이러한 연구 결과는 2015년 9월 28일에서 10월 2일까지 독일 함부르크(Hamburg)에서 열린 지능 로봇과 관련된 국제학술회의(명칭: International Conference on Intelligent Robots and Systems)에서 발표되었으며, 주 저자인 케빈 첸은 학생 부문 최고 논문상을 받았다.

이 논문의 공동 저자로는 대학원생인 파렐 헬블링(Farrell Helbling), 박사 후 연구원인 닉 그라비쉬(Nick Gravish)와 케빈 마(Kevin Ma), 하버드 대의 위스 생체 모방 공학 연구소(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)의 핵심 교수진이자 하버드 대 공학 및 응용과학부(SEAS) 교수인 로버드 우드(Robert J. Wood)가 포함된다.

로버드 우드의 연구실에서 설계한 로보비(RoboBee)는 종이 집게보다 더 작은 미세 로봇으로 초당 120번의 속도로 조그마한 날개를 거의 볼 수 없을 정도로 펄럭여서 곤충처럼 날고 제자리에서 맴돌 수 있다. 연구팀은 공기 중에서 물속으로 전환하기 위하여 우선 표면 장력의 문제를 해결해야 했다. 로보비는 너무 작고 가벼워서 물의 표면 장력을 깨뜨릴 수 없다. 로보비는 이러한 장애를 극복하기 위하여 물 위에서 특정 각도로 기울여서 제자리 맴돌기를 하다가, 순간적으로 날개의 펄럭거림을 정지시키고, 가라앉기 위하여 인정사정없이 물과 충돌한다.

다음으로 연구팀은 물속에서의 증가된 밀도를 처리해야 했다. “물은 공기보다 거의 1,000배 정도 밀도가 더 크다. 따라서 로보비의 펄럭거림 속도를 조절하지 않으면 날개가 지끈 부러질 것”이라고 발표된 논문의 제2 저자인 파렐 헬블링이 말했다.

연구팀은 날개의 펄럭거림 속도를 초당 120번에서 초당 9번으로 낮추었지만, 펄럭거림 메커니즘과 힌지 설계는 동일하게 사용하였다. 수영하는 로보비는 날개의 펄럭거림 각도를 조정하여 방향을 변경하였으며, 이는 공기 중에서의 방향전환과 동일하다. 공기 중에서 날 때와 마찬가지로 로보비는 동력원에 전선으로 연결되었다. 연구팀은 탈이온수(deionized water)를 이용하여 단락을 방지하였고, 풀로 전기 연결부를 피복하였다.

로보비는 공기 중에서 물속으로 중단되지 않고 이동할 수 있다. 그러나 로보비의 날개를 재빨리 움직이지 않고는 충분한 양력을 만들 수 없으므로 물속에서 공기 중으로의 전환은 아직 불가능하다. 이러한 설계 문제를 해결하는 것이 다음 단계에서 수행할 연구라고 케빈 첸이 전했다.

"이 연구에서 진실로 흥미진진한 것은 펄럭거리는 날개 운동에 대한 우리의 분석이 곤충 규모의 작은 로봇에 제한되지 않는다는 것이다. 밀리미터 규모의 곤충에서부터 미터 규모의 물고기와 새에 이르기까지 펄럭거리는 운동은 다양한 크기에 적용될 수 있다. 이러한 전략은 더 큰 규모의 공기-물 양용 로봇의 설계에 적용될 잠재력을 가진다”고 케빈 첸이 덧붙였다.

"로보비와 같이 생물에서 영감을 받은 로봇은 흥미로운 실험을 수행하기 위한 소중한 도구이다. 로보비의 경우 서로 다른 유체에서 펄럭거리는 날개가 가지는 유체 역학과 연관된다. 이것은 모두 관심 있는 생물체의 특징 일부를 충실하게 재현하는 복잡한 장치를 만드는 능력으로 가능하게 된 것”이라고 로버드 우드 교수가 설명하였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』