요약:
미국 노스캐롤라이나 주립대학교 연구팀이 최근 새로운 유형의 소프트 로봇을 개발했습니다. 로봇은 적외선 조명을 받으면 사람의 개입이나 재조정 없이도 계속해서 점프할 수 있습니다. 연구진은 이번 성과가 소프트 로봇의 새로운 자율주행 메커니즘을 입증하고, 미래 자율주행 로봇 설계에 새로운 아이디어를 제공했다고 밝혔다.
이 로봇은 물방울 모양을 하고 있어 연구팀은 '링 점퍼(Ring Jumper)'라는 이름을 붙였습니다. 배터리, 모터 또는 복잡한 제어 시스템이 필요한 많은 로봇과 달리 이 로봇은 전원을 공급하기 위해 외부 적외선에만 의존합니다. 조명이 켜지면 로봇은 계속해서 주기적 동작을 수행하고 전진, 점프, 수직 비행과 같은 다양한 이동 모드 간에 전환할 수 있습니다.
로봇의 핵심 원리는 비틀림 변형을 이용해 탄성 위치에너지를 저장했다가 임계점에 도달하면 즉시 방출하는 것이라고 연구진은 밝혔다. 구조 자체에는 자동 복구 기능이 있으므로 점프할 때마다 재설정할 필요가 없지만 초기 상태로 돌아가 다음 작업 라운드를 시작할 수 있습니다. 적외선이 계속 존재하는 한 전체 과정을 반복할 수 있습니다.
구조적으로 로봇은 주로 액정 엘라스토머 소재로 만들어진 물방울 모양의 링과 한쪽 끝의 가느다란 V자형 알루미늄 구조로 구성됩니다. 적외선이 재료 표면에 닿으면 액정 엘라스토머가 수축하여 전체 구조가 회전합니다.
추가 디자인 없이 이 구조는 일반적으로 제자리에서 스크롤됩니다. 그러나 끝부분에 설치된 V자형 알루미늄 부품은 이러한 과정을 방해하여 벨트에 지속적으로 비틀림 변형이 축적되게 합니다. 비틀림 하중이 계속 증가함에 따라 재료에 저장된 탄성 위치 에너지는 점점 더 커집니다. 특정 임계점에 도달하면 에너지가 갑자기 방출되고 V자형 구조물이 빠르게 아래로 분출되어 지면에 부딪혀 로봇 전체가 공중으로 분출됩니다.
점프를 완료한 후 로봇은 원래 형태로 돌아온 다음 다시 에너지 저장 및 방출 주기를 시작하여 지속적인 자율 점프 동작을 형성합니다.
연구팀은 V자형 구조물의 각도만 변경해도 로봇의 이동 방식이 크게 바뀔 수 있다는 사실을 발견했습니다. 끼인 각도가 약 120도이면 로봇은 주로 크롤링 방식으로 천천히 앞으로 이동합니다. 끼인각이 90도로 줄어들면 로봇은 앞으로 점프합니다. 끼인각이 약 50도까지 더 줄어들면 로봇은 거의 수직으로 공중으로 점프할 수 있습니다.
연구원들은 이는 구동 원리를 변경하거나 추가 제어 시스템을 추가하지 않고도 간단한 기하학적 매개변수를 조정하여 동일한 로봇이 서로 다른 동작 모드 간에 전환될 수 있음을 의미한다고 말했습니다.
팀은 끼인 각도를 조정하는 것 외에도 로봇의 무게 중심 위치도 모션 성능에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 실험에 따르면 물방울 모양 구조의 둥근 끝에 소량의 평형추를 추가하면 로봇이 더 긴 점프 거리와 더 안정적인 전진 궤적을 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 연구자들은 이 현상을 더 큰 추진력을 얻기 위해 출발할 때 앞으로 몸을 기울이는 수영선수에 비유합니다.
실험 과정에서 연구팀은 적외선 강도가 스포츠 경기력에 결정적인 영향을 미친다는 점도 관찰했습니다. 빛의 강도가 충분하지 않으면 로봇은 점프를 완료하는 데 충분한 에너지를 축적할 수 없습니다. 그러나 빛의 강도가 너무 강하면 점프 과정이 불안정해지고 방향을 예측할 수 없게 될 수도 있습니다. 따라서 빛의 세기를 적절하게 조절하는 것은 안정적이고 지속적인 움직임을 얻기 위한 중요한 조건입니다.
연구원들은 이러한 자가 재설정이 가능하고 계속 움직일 수 있으며 구조가 간단한 소프트 로봇이 향후 복잡한 환경 탐사, 좁은 공간 검사, 새로운 자율주행 소프트 로봇 연구 분야에 활용될 것으로 기대하고 있다. 복잡한 전자 제어 시스템이 필요하지 않고, 재료 특성과 외부 광원에만 의지해 자율적인 움직임을 완성할 수 있어 미래 저비용 경량 로봇 설계에 새로운 발전 방향을 제시한다.
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