요약:
드론이 산업 검사, 농업 모니터링, 과학 연구 및 탐사 등의 분야에 점점 더 많이 진출하면서 단순해 보이지만 에너지를 절약하는 로봇 이동 방법이 다시 주목을 받고 있습니다. 워싱턴대 연구팀은 최근 '다이렉트홉(DirectHop)'이라는 소형 점핑 로봇을 발표했다. 디자인은 벼룩 등 자연에서 뛰어오르는 생물에서 영감을 얻었지만, 기존 유사 로봇과는 완전히 다른 기술적 루트를 채택했다.
연구원들은 많은 시나리오에서 점프 동작의 에너지 소비가 비행 동작의 에너지 소비보다 훨씬 낮다고 지적했습니다. 곤충을 예로 들어보겠습니다. 모기는 비행을 유지하기 위해 지속적으로 에너지를 소비해야 하는 반면, 벼룩은 날아가는 순간에만 에너지를 방출하면 움직임을 완료할 수 있습니다. 이론적으로 점프의 에너지 효율은 비행보다 거의 2배 정도 더 높을 수 있습니다. 이는 미래에는 수많은 저렴한 소형 점핑 로봇이 정유소의 가스 누출 검색, 농지의 관개 및 비료 모니터링, 심지어 행성 탐사 임무 수행과 같은 복잡한 작업을 드론보다 훨씬 저렴한 비용으로 수행할 수 있다는 것을 의미합니다.
이 개념을 테스트하기 위해 워싱턴 대학의 엔지니어들은 DirectHop을 개발했습니다. 로봇의 무게는 약 1g이고 크기는 손바닥만한 크기입니다. 연속으로 여러 번의 점프를 완료할 수 있으며 점프 높이는 표준 계단의 계단을 넘을 수 있을 만큼 높습니다. 로봇은 마이크로 모터와 3개의 접이식 다리를 사용하여 함께 작동하여 높이 제어 오류가 센티미터에 불과한 정확한 이륙을 달성합니다.
벼룩의 구조를 모방하는 대부분의 점핑 로봇과 달리 DirectHop은 스프링 에너지 저장 메커니즘을 사용하지 않습니다. 전통적인 디자인은 일반적으로 스프링을 사용하여 에너지를 저장한 다음 자물쇠를 통해 즉시 방출함으로써 놀라운 점프 능력을 달성합니다. 이 솔루션은 장거리 점프를 달성할 수 있지만 스프링 릴리스는 "전부 아니면 전무" 동작인 경우가 많기 때문에 각 점프의 높이와 거리를 정확하게 제어하기가 어렵습니다. 또한 매우 작은 크기로 복잡한 스프링 및 래치 구조를 제조하는 것은 본질적으로 어려운 일입니다.
그래서 연구팀은 스프링 시스템을 완전히 버리고 대신 마이크로 DC 모터를 사용하여 점프를 직접 구동하기로 결정했습니다. 개발자들은 초소형 모터가 실제로 이륙에 필요한 동력을 직접 생성할 수 있을 만큼 빠른 가속을 제공할 수 있다는 사실을 발견했다고 말합니다. 이 방법은 에너지를 저장했다가 방출하는 벼룩 모델보다는 근육에 의한 직접적인 힘 발휘에 의존하는 개구리와 같은 대형 점프 동물의 메커니즘에 더 가깝습니다.
이 디자인의 가장 큰 장점은 제어 가능성입니다. 모터 작동 모드를 조정함으로써 로봇은 고정된 배출 동작 모드만 수행할 수 있는 대신 점프 높이를 자유롭게 조정할 수 있습니다. 연구진이 제시한 실험 결과에 따르면 다이렉트홉은 지면에서 몇 밀리미터 정도 가볍게 들어올릴 수 있고, 최대 힘으로 이륙해 일반 계단의 계단도 뛰어넘을 수 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 자율 점프 로봇이 점프를 정밀하게 제어하는 것 외에도 뒤집을 수 있는 능력과 지속적으로 움직일 수 있는 능력이라는 두 가지 핵심 문제에 직면해 있다고 믿습니다. 많은 마이크로 로봇은 착륙 후 뒤집히는 경향이 있으며 일단 균형을 잃으면 임무를 계속할 수 없습니다.
이 문제를 해결하기 위해 DirectHop에는 특별한 롤오버 메커니즘이 탑재되어 있습니다. 로봇이 착지할 때 자세가 비정상적이면 모터를 이용해 몸을 회전시키고 자율적으로 정상 상태로 돌아갈 수 있다. 테스트 데이터에 따르면 로봇의 첫 번째 뒤집기 시도 성공률은 약 90%입니다.
동시에 DirectHop에는 계속해서 다시 로드하고 점프하는 기능도 있습니다. 이착륙을 완료한 후 시스템은 빠르게 준비 상태로 돌아가 다음 작업을 계속할 수 있습니다. 현재 프로토타입은 이미 여러 라운드의 점프 작업을 연속적으로 완료할 수 있는데, 이는 같은 크기의 로봇 중에서는 이례적입니다.
연구팀은 추정에 따르면 이 점핑 로봇의 운송 비용은 같은 규모의 비행 로봇에 비해 훨씬 저렴하다고 밝혔습니다. 에너지를 소비하기 위해 지속적으로 호버링할 필요가 없기 때문에 점핑 로봇은 장기적인 자율 작동이 필요한 미래의 응용 시나리오에서 분명한 이점을 보여줄 수 있습니다.
그러나 DirectHop은 아직 프로토타입 단계에 있습니다. 연구원들은 로봇이 제어 가능한 점프, 자율 회전, 연속 점프라는 세 가지 핵심 문제를 해결했지만 앞으로도 전원 공급 장치 통합, 조향 제어 및 자율 탐색과 같은 과제를 더욱 극복해야 한다고 말했습니다.
연구 책임자인 소이어 풀러(Sawyer Fuller)는 점프 로봇의 가장 어려운 세 가지 기술적 장애물은 점프 거리 제어, 자율 회전, 지속적인 재점프라고 생각합니다. DirectHop은 새로운 디자인을 통해 이러한 임계값을 성공적으로 넘었습니다. 앞으로 시스템이 지속적으로 개선되면서 이러한 형태의 마이크로 로봇은 드론과 함께 산업, 농업, 재난 구호, 우주탐사 등 다양한 분야에서 역할을 수행하는 또 하나의 중요한 자율 이동 플랫폼이 될 것으로 기대된다.
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