연구원들은 에너지 필요에 따라 생물학적 소화 시스템을 모방하고 소금쟁이처럼 물을 가로질러 이동할 수 있는 센서가 장착된 로봇 버그의 프로토타입을 개발했습니다. 2017년에 DARPA는 "해양 온도, 바다 상태 및 위치와 같은 환경 데이터는 물론 바다를 건너 이동하는 상업용 선박, 항공기, 심지어 해양 포유류의 활동에 대한 데이터"를 수집하는 것을 목표로 수천 개의 부유식 센서를 개발하고 배포할 계획을 제안했습니다.
이 프로젝트는 Ocean of Things라고 불리며, 그 본질은 사물 인터넷을 통해 정보를 수집하는 수많은 센서 스마트 장치와 유사합니다. The project page states that sensor data will be uploaded to government-owned cloud storage for analysis. The "Ocean of Things" will support military missions and is also open to research institutions and commercial organizations.
빙햄턴 대학의 최석흠 교수는 해군 연구실의 자금 지원을 받아 10년 넘게 이러한 장치를 연구해 왔습니다. 이제 최씨와 그의 팀은 태양 에너지, 전기 또는 열과 같은 일반적인 에너지 시스템이 아닌 탑재된 박테리아를 사용하여 물 위를 활공할 수 있는 작은 수중 로봇을 개발했습니다.
연구팀은 논문에서 "우리는 자립형 로봇이 해양 환경에서 직접 에너지를 수확할 수 있도록 다양한 혁신적인 전략을 적극적으로 탐색하고 있습니다. 이러한 전략에는 태양 에너지, 파도나 해류에 의해 생성된 운동 에너지, 염수의 삼투압 잠재력, 열 구배 및 수분 구동 에너지 활용이 포함됩니다."라고 밝혔습니다.
"이러한 접근 방식의 혁신적인 특성에도 불구하고 해양 환경에서 빛과 기계적 에너지의 다양한 가용성과 염분 구배, 열 차이 및 습도로 인한 상대적으로 낮은 에너지 생산이 결합되어 심각한 과제를 제시합니다. 이러한 제한은 현재 에너지 수확 기술에만 의존하는 수중 로봇의 안정적이고 지속적인 작동을 보장하는 능력을 방해합니다."
새로운 시스템의 발전소는 Bacillus subtilis라고 불리는 포자 형성 박테리아를 사용하는 미생물 연료전지를 중심으로 구축됩니다. 이 소형 발전기는 촉매적 환원-산화 반응을 통해 유기물을 전기로 변환하는 생물학적 소화 과정에서 영감을 받았습니다.
최 교수는 “박테리아에게 유리한 조건에서는 무성세포로 변해 에너지를 생산하지만, 매우 춥거나 영양분이 없는 등 조건이 불리하면 다시 포자로 변하는 방식으로 작동 수명을 연장할 수 있다”고 말했다.
연료전지의 양극은 우수한 전도성과 박테리아 성장을 지원하는 능력을 위해 선택된 소재인 폴리피롤 코팅 탄소 천으로 만들어졌습니다. 전자 수용 음극 역시 탄소 천이지만 "산소 환원을 촉진하는 촉매 특성"을 위해 선택된 폴리피롤 코팅 백금으로 장식되어 있습니다. 퍼즐의 마지막 조각은 선택적 양성자 전달을 위한 Nafion117 막입니다.
통합 동력 장치는 또한 인접한 소수성 및 친수성 표면을 특징으로 하여 바닷물의 "유기 매트릭스"의 "일방향 흐름"을 가능하게 하여 박테리아 포자에 영양분을 제공합니다.
단일 연료 전지 장치는 "최대 전력 밀도가 135μWcm-2이고 개방 회로 전압이 0.54V"였지만 6개 셀 어레이로 확장하면 관찰된 전력 생성이 거의 밀리와트에 도달했습니다. 이 출력은 전체적으로 상대적으로 작을 수 있지만 플랫폼 상단의 소형 DC 모터 및 온보드 센서에는 충분합니다.
研究人员解释说："为了实现平稳的水上运动，机器人利用电机的旋转力，对平台施加反作用力，推动它在水面上前进，而不直接作用于水本身。同时，"疏水特性有助于产生主要浮力"。小机器人的腿部也经过疏水涂层处理，这样它就能像水上黾一样在水面上滑行。"
因此，这样做的目的是能够在任何特定时间将微型数据采集器部署到需要的地方，而不是在其整个运行寿命期间将其束缚在一个地方。
研究小组指出："虽然这项工作成功地展示了由集成MFC阵列驱动的水面自持移动能力，但对水生机器人平台的定位、传感、信号处理和传输等实际应用的探索仍然是一个有待开发的领域。还需要在长期性能和不同环境条件下的适用性方面开展更多工作。但目前的系统可以作为新型设计的概念验证。"
이번 연구 논문은 Advanced Materials Technology 저널에 게재됐다.