요약:
UCLA(캘리포니아 대학교, 로스앤젤레스)와 미시간 대학교의 연구원들이 소형 생체공학 로봇을 개발했습니다. 개구리처럼 점프할 수 있고, 잔디, 모래 등 복잡한 표면에서 이동할 수 있고, 작은 계단을 건너고, 특수 지느러미를 설치한 후 물 속에서 수영할 수도 있습니다. 모터에 의존해 다리를 지속적으로 움직이는 기존 로봇과 달리 이 장치는 탄성 막대를 비틀어 에너지를 저장한 후 재료의 급격한 변형을 이용해 순간 추력을 발생시켜 빠르게 튕겨나갈 수 있다.
이 연구는 마이크로 로봇에 적합한 새로운 이동 메커니즘을 보여줍니다. 연구원들은 기계 구조를 개선함으로써 소형 로봇이 더 큰 모터를 사용하지 않고도 충분히 강력한 순간 전력을 생성할 수 있기를 바라고 있습니다. 관련 결과는 Science Advances 저널에 게재되었습니다.
작은 로봇의 경우 이동이 생각만큼 간단하지 않습니다. 풀잎, 느슨한 모래, 접힌 천, 땅 위의 작은 장애물 모두 심각한 장애물이 될 수 있습니다. 장애물의 높이가 로봇 자체의 크기에 가까울 경우 바퀴나 일반 기계 다리에만 의존해서 원활하게 통과하기 어려운 경우가 많습니다.
점프는 하나의 솔루션이지만 출력에 특별한 요구 사항이 있습니다. 로봇은 충분한 에너지가 필요할 뿐만 아니라 강력한 상향 또는 전진 추력을 얻기 위해서는 매우 짧은 시간 내에 에너지를 방출해야 합니다. 그러나 소형 모터는 지속적이고 부드러운 출력을 제공하는 데 능숙하지만 이렇게 강력한 순간 출력을 직접 생성하는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다.
엔지니어들은 이전에 스프링을 사용하여 이 문제를 해결하려고 시도했습니다. 먼저 모터가 스프링을 천천히 압축하거나 늘리도록 하고 에너지를 탄성 위치 에너지의 형태로 저장한 다음 스프링을 빠르게 풀어 방출합니다. 그러나 3차원 구조의 탄성 재료를 어떻게 갑작스럽고 안정적으로, 재현 가능하게 변형시키고 각 움직임 후에 빠르게 회복시키는지는 여전히 어려운 기술적 문제입니다.
이번 연구팀은 코일 스프링과 유사한 탄성봉 구조를 사용했다. 연구진은 먼저 컴퓨터 모델을 사용하여 다양한 굽힘 및 비틀림 조건에서 탄성 막대의 변형 규칙을 분석한 다음 로봇 팔을 사용하여 실제 재료에 대한 굽힘 및 비틀림 실험을 수행하여 모델 예측을 실제 결과와 비교했습니다.
이러한 실험을 통해 연구자들은 탄성 막대가 천천히 변형되기보다는 갑작스러운 형태학적 변형을 겪게 만드는 기하학적 구조와 하중 방법을 점차적으로 알아냈습니다. 이러한 조건을 숙지한 후 로봇의 움직임 요구 사항에 따라 해당 탄성 팔다리를 설계할 수 있습니다.
로봇이 사용하는 탄성봉은 니켈-티타늄 합금으로 만들어졌습니다. 연구진은 원래 직선 막대를 나선형으로 구부려 한쪽 끝을 브래킷에 고정하고 다른 쪽 끝을 소형 서보 모터에 연결했다. 모터가 회전하면 탄성 막대가 구부러지고 비틀어지며 점차적으로 탄성 위치 에너지를 저장합니다.
변형이 계속 증가함에 따라 막대는 결국 불안정한 임계 상태에 도달한 다음 갑자기 다른 구성으로 전환됩니다. 형태의 이러한 급격한 변화는 눈에 띄는 순간적인 움직임을 만들어 로봇을 위쪽과 앞쪽으로 발사합니다.
전체 과정은 스프링을 압축했다가 갑자기 풀어주는 것과 유사합니다. 모터는 점프에 필요한 모든 동력을 아주 짧은 시간에 직접 출력할 필요는 없고, 오랜 시간에 걸쳐 서서히 에너지를 축적했다가 탄성 구조를 통해 집중적으로 방출할 수 있다.
점프가 완료되면 모터가 반대 방향으로 회전하여 탄성봉을 다음 점프에 필요한 초기 상태로 되돌립니다. 로봇이 공중에 있는 동안 재설정 프로세스의 일부가 완료될 수 있으므로 로봇은 착지 후 다음 바운스를 신속하게 준비할 수 있습니다.
그러나 탄성 막대의 디자인은 점프력과 복귀 속도 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 일부 구조물은 더 많은 에너지를 방출할 수 있지만 회복하려면 모터가 더 큰 각도로 회전해야 하므로 연속 점프 사이의 간격이 길어집니다. 연구원들은 궁극적으로 더 짧은 시간에 더 강한 추진력을 생성하고 완전한 재설정을 수행할 수 있는 설계를 선택했습니다.
이 메커니즘이 실제로 완전한 로봇에 적용 가능한지 검증하기 위해 연구팀은 길이 약 11cm, 무게 98.2g의 프로토타입을 제작했습니다. 등에는 갑자기 변형될 수 있는 두 개의 탄력 있는 팔다리가 장착되어 있으며 전체적인 움직임 방식은 개구리와 다소 비슷합니다.
또한 연구원들은 견고한 다리 구조를 갖춘 제어 로봇을 제작했습니다. 두 로봇의 모터 전력은 동일하지만 가장 큰 차이점은 전력이 사용되는 방식입니다. 제어 로봇은 견고한 다리에 의존하여 지속적으로 동작을 출력하는 반면, 새로운 로봇은 먼저 에너지를 저장한 다음 탄성 막대의 급격한 변형을 통해 에너지를 방출합니다.
이 테스트는 나무, 천, 아크릴, 가죽, 잔디, 모래 등 6가지 표면을 대상으로 합니다. 결과는 새로운 바운싱 로봇이 테스트된 모든 표면에서 다리가 고정된 버전보다 더 빠르게 움직이는 것으로 나타났습니다.
나무 판 위에서 새로운 로봇은 초당 몸길이 3.21배의 속도에 도달했습니다. 6개 표면의 테스트 결과를 종합하면 평균 속도는 초당 몸 길이의 2.46배인 반면, 다리가 고정된 로봇의 평균 속도는 초당 몸 길이의 0.79배에 불과합니다. 즉, 이 일련의 제어 실험에서 바운싱 로봇은 다리가 고정된 버전보다 평균 약 3.1배 더 빠르게 움직였습니다.
천과 잔디에서는 두 로봇 간의 성능 격차가 특히 뚜렷합니다. 다리가 단단한 로봇은 장애물이나 미끄러지기 쉬운 표면에서 원활하게 움직일 수 없는 반면, 튀는 로봇은 순간적인 추력을 사용하여 일부 저항을 극복하고 계속 전진할 수 있습니다.
로봇은 평평한 표면에서 점프하는 것 외에도 작은 계단을 건너고 지속적으로 백플립을 완료하는 능력도 보여주었습니다. 이러한 동작은 탄성 막대가 로봇이 전방 추력을 생성하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 특정 구조 및 제어 조건에서 보다 복잡한 신체 움직임을 달성할 수 있음을 보여줍니다.
또한 연구원들은 로봇이 물 속에서 수영할 수 있도록 얇고 유연한 지느러미를 장착했습니다. 이때 원래 점프에 사용된 탄력 있는 팔다리를 지느러미와 함께 사용하여 수역을 밀어낼 수 있어 로봇은 초당 몸 길이의 약 0.5배의 속도로 이동할 수 있습니다.
로봇은 물 속에서 전진할 수 있을 뿐만 아니라 바람의 방해가 있는 테스트 조건에서 이동 방향을 변경하고 장애물을 피할 수도 있습니다. 육지에서 연구자들은 로봇이 방향을 바꾸도록 하기 위해 서로 다른 주파수로 움직이도록 두 개의 탄성 팔다리를 제어했습니다.
육상 항법 시연에서 연구원들은 복잡한 환경에서 이동할 수 있는 능력을 보여주기 위해 바위로 뒤덮인 모래상자를 통해 로봇을 원격으로 조종했습니다. 또한 연구팀은 광센서를 사용해 로봇이 광원 방향으로 자율적으로 회전하는 능력을 입증했다.
이는 기기에 이미 몇 가지 기본적인 환경 대응 기능이 있다는 의미입니다. 그러나 현재 시연된 자율 항법은 여전히 상대적으로 단순하며, 복잡한 환경을 독립적으로 식별하고 경로를 계획하며 작업을 완료할 수 있는 성숙한 로봇 시스템과는 아직 거리가 멀습니다.
연구원들은 이 이동 메커니즘이 재난 현장 수색 및 구조, 장비 점검, 기타 복잡한 지형을 횡단해야 하는 작업에 적합할 수 있다고 믿습니다. 예를 들어 지진이나 건물 붕괴 현장에서 마이크로로봇은 잔해, 느슨한 자재, 좁은 공간을 탐색해야 할 수 있습니다. 기존의 바퀴 달린 로봇은 장애물에 부딪히면 돌아다니거나 통과 가능한 경로를 찾아야 하는 경우가 많았지만, 점프할 수 있는 로봇은 일부 장애물을 직접 극복할 수 있는 기회를 가졌습니다.
동일한 기계 구조가 육지에서 튀어오르고 물 속에서 지느러미를 밀어낼 수 있다면 로봇은 서로 다른 환경 사이를 전환할 때 두 개의 완전히 독립적인 추진 시스템을 설치할 필요가 없을 수도 있습니다. 이 설계는 일부 장치의 복잡성을 줄이고 습한 환경, 물에 잠긴 지역 또는 복잡한 지형에서 작동해야 하는 마이크로 로봇에 새로운 옵션을 제공할 것으로 예상됩니다.
이 기술은 점핑 로봇 이상의 의미를 갖습니다. 연구진은 기계 구조 자체를 사용하여 에너지를 저장하고 방출하면 대형 모터나 복잡한 제어 시스템에 대한 의존도를 줄일 수 있다고 지적합니다. 이 아이디어는 빠른 움직임이 필요한 로봇 그리퍼와 같은 장치에도 사용될 수 있습니다. 예를 들어 일부 기계식 그리퍼는 매우 짧은 시간 내에 닫혀야 합니다. 에너지를 먼저 저장한 다음 빠르게 방출할 수 있다면 모터 크기를 크게 늘리지 않고도 더 빠른 동작 속도를 달성할 수 있는 기회가 있습니다.
또한 연구팀은 이러한 설계 원칙이 미래에 크기가 몇 밀리미터에 불과한 로봇을 만드는 데 사용될 수 있다고 믿습니다. 핵심은 특정 크기의 모터나 대형 드라이브에 의존하기보다는 탄성 막대의 기하학적 구조와 급격한 변형 거동 사이의 관계에 있습니다. 그러나 실제로 밀리미터 수준으로 줄일 수 있는지 여부는 여전히 추가 연구와 실험적 검증이 필요합니다.
현재 이 로봇은 여전히 과학 연구 프로토타입입니다. 기존 테스트에서는 다리가 단단한 제어 버전보다 빠르게 움직이는 것으로 입증되었지만 팀은 아직 스프링이나 탄성 구조를 사용하는 다른 점핑 로봇보다 성능이 뛰어나다는 점을 입증하지 못했습니다. 다양한 디자인에는 점프 높이, 이동 속도, 에너지 효율, 제어 정확도 및 재설정 시간이 다르며 여전히 동일한 조건에서 비교해야 합니다.
또한 프로토타입은 현재 기본 탐색, 장애물 건너기 및 수영 기능만 시연합니다. 수색 및 구조 또는 산업 검사 임무에 실제로 사용되기 위해서는 내구성, 환경 인식, 운동 안정성 및 복잡한 지형 적응성을 더욱 향상시키고 탄성 구조가 장기간 반복 변형 후에도 신뢰성을 유지할 수 있는지 검증해야 합니다.
이 연구는 주목할 만한 공학적 아이디어를 보여줍니다. 즉, 로봇이 더 강력한 순간 동작 능력을 얻기 위해 반드시 더 강력한 모터에 의존할 필요는 없다는 것입니다. 또한 기계적 구조를 통해 에너지를 축적한 후 적절한 방식으로 신속하게 방출할 수도 있습니다. 이 접근 방식은 크기와 에너지가 모두 엄격하게 제한되는 마이크로 로봇에 특히 매력적입니다.
연구자들이 탄성 구조의 급격한 변형 법칙을 더욱 잘 이해함에 따라, 재료 자체를 사용하여 빠른 움직임을 구현하는 이 디자인은 향후 더 작고 유연한 로봇 시스템에 적용될 것으로 예상됩니다. 그러나 실험실의 프로토타입에서 장기간에 걸쳐 실제 임무를 수행할 수 있는 제품으로 이동하려면 내구성, 제어 및 에너지 관리와 같은 문제를 해결해야 합니다.
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