요약:
미국 노스캐롤라이나 주립대학교 연구진이 해양 생물인 바다생물에서 영감을 받아 모양과 움직임을 갖춘 새로운 유형의 부드러운 수중 로봇을 개발했습니다. 3차원 모션을 달성하기 위해 여러 모터와 복잡한 제어 시스템이 필요한 많은 수중 로봇과 달리 이 장치는 두 개의 공압 구동 입력만 사용하여 상승, 하강, 전진 및 후진, 호버링, 자체 축 주위 회전과 같은 동작을 완료합니다.
이 연구의 핵심은 단순히 해양 생물의 외형을 모방하는 것이 아니라, 생물학적 움직임에 담긴 기계적 원리를 로봇 설계에 적용하려는 노력입니다. 크레스트 크리노이드는 여러 개의 부드럽고 깃털 같은 팔을 가진 크리노이드 극피동물로, 서로 다른 팔의 움직임을 조정하여 물 속에서 방향을 바꾸거나 위치를 유지할 수 있습니다. 연구팀은 유사한 구조 설계를 사용하여 3차원 기동성에 있어 기존 수중 로봇의 한계를 해결하기를 희망합니다.
몇 년 전 같은 연구팀이 쥐가오리에서 영감을 받아 수중 로봇을 개발했습니다. 이 장치는 빠르게 수영할 수 있지만 복잡한 공간에서 위아래로 움직이고 제자리에서 회전하고 자세를 조정하는 데에는 단점이 있습니다. 따라서 연구자들은 기계적 복잡성을 크게 증가시키지 않으면서 로봇에게 보다 유연한 이동 기능을 제공하기를 희망하면서 바다나리 연구에 눈을 돌렸습니다.
새 로봇은 중앙 본체와 4개의 유연한 날개 모양 구조로 구성됩니다. 중앙 부분에는 두 개의 독립적인 공기 역학적 구동 채널이 통합되어 있으며, 네 개의 탄성 날개 부분은 물과 상호 작용하여 추진력과 회전 토크를 생성하는 역할을 합니다. 두 개의 구동 채널이 작동하는 방식을 변경함으로써 로봇은 세 가지 다른 이동 모드 간에 전환할 수 있습니다.
첫 번째 모드는 연구원들에 의해 '해파리 모드'라고 불립니다. 두 개의 액추에이터가 동시에 작동하면 로봇의 네 날개 팔다리가 빠르게 아래로 구부러져 물의 흐름을 밀어 올리고 스스로 위로 이동합니다. 구동이 멈춘 후에는 날개 팔다리가 자체 탄성에 의해 원래의 모양으로 돌아가고, 로봇은 운동 상태를 변경하여 하강하게 됩니다. 동작 빈도를 조정하면 로봇이 계속해서 상승 및 하강할 수도 있고, 움직임을 늦추고 물 속에서 거의 호버링 상태를 유지할 수도 있습니다.
두 번째 모드는 '물고기 모드'입니다. 이때 연구진은 구동 채널 중 하나만 활성화해 로봇 양쪽의 구조물이 비대칭으로 움직이게 만들었다. 날개 한쪽의 스윙은 물고기가 꼬리 지느러미를 사용하여 로봇을 앞뒤로 추진하는 방식과 유사합니다. 구동 입력을 제어함으로써 추진 동작을 변경하여 로봇이 다양한 이동 방향에 적응할 수도 있습니다.
세 번째 모드는 '로터 모드'입니다. 연구원들은 날개 팔다리가 순차적으로 서로 다른 움직임을 생성하도록 두 개의 구동 채널을 교대로 제어하여 로봇이 자체 축을 중심으로 회전하도록 구동합니다. 이 기능을 통해 로봇은 물 속에서 방향을 조정할 수 있으며 이후의 3차원 탐색 및 방향 작업을 위한 기반을 제공합니다.
이 세 가지 모드를 결합하면 로봇이 상하, 전진, 후진, 회전 등의 방향으로 이동할 수 있습니다. 팀은 일반적으로 유사한 동작 범위를 달성하기 위해 기존 설계에는 최소 6개의 액추에이터가 필요할 수 있지만 이 로봇에는 2개만 필요하다는 점에 주목했습니다. 그 핵심은 '기계지능'이라는 디자인 컨셉에 있다.
소위 기계 지능이란 모든 동작을 독립적인 모터와 복잡한 전자 시스템에 맡기는 것이 아니라, 구조물 자체의 물리적 특성을 통해 일부 제어 기능을 구현하는 것을 말합니다. 이 로봇의 유연한 날개 팔다리는 힘을 가해 구부린 후 빠르게 원래 모양으로 돌아올 수 있습니다. 구조에 저장되고 방출되는 탄성 에너지는 로봇이 빠르고 규칙적인 움직임을 생성하는 데 도움이 됩니다. 연구자들은 이 특성을 활용하여 제한된 구동 입력을 다양한 형태의 모션으로 변환합니다.
이 디자인은 소프트로봇의 개발 방향과도 밀접한 관련이 있습니다. 전통적인 수중 로봇은 일반적으로 움직임을 완료하기 위해 견고한 구조, 다중 추진기 및 복잡한 자세 제어 시스템에 의존하는 반면, 소프트 로봇은 주변 환경과 상호 작용하기 위해 유연한 재료의 변형 기능을 더 많이 활용합니다. 복잡한 수중 환경에서 작동해야 하는 장비의 경우, 기계 부품 수를 줄이면 구조가 단순화될 뿐만 아니라 제어 및 유지 관리 부담도 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다.
실험에서 연구팀은 로봇이 움직일 때 주변 물 흐름의 변화도 분석했습니다. 연구진은 입자 이미지 속도 측정 기술을 사용하여 물 흐름의 움직임을 관찰하고 이를 전산 유체 역학 시뮬레이션과 결합하여 다양한 움직임 모드에서 형성된 소용돌이 구조를 연구했습니다. 이러한 분석은 로봇이 날개 팔다리 스윙을 통해 추진력을 생성하는 방법과 회전 운동이 해당 토크를 생성하는 방법을 설명하는 데 도움이 됩니다.
실험 결과, 로봇의 최대 수영 속도는 초당 몸 길이의 1.64배에 달하고, 최대 회전 속도는 초당 90도인 것으로 나타났습니다. 연구원들은 또한 로봇이 움직이는 데 필요한 에너지 소비를 측정하는 운송 비용 측정 기준으로 최소값 17.6을 보고했습니다. 관련 결과는 다중 모드 동작을 달성하기 위해 간단한 구조를 사용하는 것이 가능하다는 것을 보여 주지만 이러한 실험 데이터가 실제 해양 작업에 필요한 모든 성능 요구 사항에 도달했음을 의미하지는 않습니다.
연구팀은 수중 카메라를 들고 환경을 탐색하고, 수중 물체를 운반하거나 들어올리고, 여러 로봇이 함께 작업할 수 있도록 하는 등 플랫폼의 몇 가지 잠재적인 용도를 시연했습니다. 카메라, 그리퍼 또는 기타 보조 장비를 추가함으로써 미래의 로봇은 수중 환경 모니터링, 해양 오염 조사 및 수중 품목 회수와 같은 작업에 사용될 수 있습니다.
또한 연구원들은 여러 로봇이 함께 작업을 수행할 수 있다고 생각합니다. 예를 들어, 단일 로봇은 물체를 관찰하고 위치를 찾는 역할을 담당하고 다른 로봇은 물체를 운반하거나 수집하는 작업을 지원합니다. 그러나 이러한 응용은 여전히 잠재적인 개발 방향이며 로봇의 장기 작동 능력, 지구력 시간, 통신 방법 및 실제 해양 환경의 복잡한 수류에서의 안정성에 대해서는 추가 검증이 필요합니다.
현재 로봇은 여전히 공압 구동 입력에 의존합니다. 연구팀은 후속 작업에는 완전 무선 버전을 개발하고 보다 구체적인 응용 시나리오를 탐색하기 위해 다른 분야의 연구자들과 협력하는 것이 포함될 것이라고 말했습니다. 무선화는 장비와 외부 제어 시스템 간의 연결 제약을 줄이는 데 도움이 되지만 전원 공급 장치, 제어 및 수중 통신에 새로운 과제를 야기할 것입니다.
이 연구 결과는 오픈 액세스 저널인 "Science Advances"에 게재되었으며, 논문 제목은 "다중 모드 3차원 기동성을 달성하기 위해 깃털 볏 크리노이드를 모방한 최소 구동 연체 수영 로봇"입니다. 연구에 따르면 로봇은 기동성을 높이기 위해 모터, 센서 및 제어 시스템을 지속적으로 추가할 필요가 없습니다. 유연한 구조를 합리적으로 설계하고 재료 자체의 탄성과 운동 특성을 최대한 활용함으로써 비교적 간단한 기계 시스템도 복잡한 동작을 달성할 수 있습니다.
수중 로봇 공학 분야에서 이 아이디어는 더 넓은 의미를 가질 수 있습니다. 앞으로 연구자들은 더 많은 해양생물의 움직임 메커니즘을 학습해 보다 단순한 구조와 보다 다양한 움직임 방식을 갖춘 소프트 로봇을 개발해 환경 모니터링, 수중 탐사, 복잡한 우주 작전 등의 임무에 역할을 수행할 수 있을 것이다.
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