매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀과 로잔공과대학(EPFL)이 공동 개발한 새로운 로봇이 수영, 다이빙, 수면에서 직접 비행하는 전 과정을 성공적으로 달성했다. 이 성과는 여러 미디어에 걸쳐 사용할 수 있는 로봇 제작 분야에서 획기적인 발전을 의미합니다.
연구팀에 따르면 이 로봇의 무게는 약 250g이며 프로펠러, 다리 지지대 또는 복잡한 접는 메커니즘 없이 날개를 퍼덕이는 것만으로 완전히 물에서 공기로의 전환을 완료할 수 있다는 점에서 독특합니다. 자연에서는 약 100종의 새가 물과 육지, 공중을 자유롭게 오가며 먹이를 잡기 위해 잠수하고 물에서 직접 이륙할 수 있습니다. 이 로봇은 이러한 타고난 능력을 공학적으로 재현한 최초의 로봇입니다.
물의 밀도는 공기의 약 800배이므로 기존 로봇 설계로는 이러한 엄청난 물리적 저항 차이를 극복하기가 극히 어렵습니다. 이를 위해 R&D팀은 유연한 날개 설계를 채택하고 날개짓 주파수를 정밀하게 제어했습니다. 수중에서는 날개가 90도까지 수동적으로 구부러질 수 있으므로 모터 부하가 크게 줄어들고 단일 날개짓의 유효 스트로크가 단축됩니다. 날개짓 빈도는 초당 0.1~6회 제어됩니다. 공중에 있는 동안 동일한 날개 구조는 비행을 유지하기 위해 초당 11회의 빈도로 빠르게 퍼덕일 수 있습니다. 또한 로봇은 중성 부력을 갖고 있어 물 속에서 위아래로 뜨지 않으므로 귀중한 전력을 효과적으로 절약할 수 있습니다.
가장 어려운 부분은 물에서 떠오르는 순간입니다. 항력을 극복하려면 로봇은 1초도 안 되는 시간에 8~10번 날개를 움직여 물 밖으로 빠르게 뛰어내려야 합니다. 실험에 따르면 이 프로세스에는 환경 매개변수에 대한 요구 사항이 매우 높습니다. 날개는 적당한 강성을 가져야 하고, 꼬리는 동체에 가까워야 하며, 이륙 중 물 출구 각도를 약 70도로 제어해야 합니다. 각도가 너무 평평하면 꼬리에 저항이 발생합니다. 너무 수직이면 로봇이 쉽게 넘어져 다시 물 속으로 떨어질 수 있습니다.
이 연구는 뛰어난 공학적 설계를 보여줄 뿐만 아니라 생물학자들이 다이빙하는 새를 관찰할 수 있는 물리적 모델을 제공합니다. 연구에 따르면 새들은 단순히 에너지를 절약하기 위해서만이 아니라 더 빠른 속도를 얻기 위해 물 속에서 날개 길이를 줄일 수도 있습니다. 동시에, 데이터에 따르면 단일 비행이 15.5m를 초과하면 수영하는 것보다 비행하는 것이 에너지 효율적이라는 것을 보여줍니다. 이는 새가 장거리를 이동할 때 다이빙보다 비행을 선호한다는 논리와 일치합니다.
현재 로봇은 아직 실험실 테스트 단계에 있으며, 향후 연구 개발은 자율 항법, 해수 환경 적응성 향상, 지구력 향상에 중점을 둘 예정이다. 로봇 제작 비용은 약 300달러(약 30만 원)에 달하는 것으로 알려졌으며, 제작팀은 CAD 설계 파일을 오픈소스화해 놓은 상태다. 프로젝트 리더이자 MIT 기계공학 조교수인 Raphael Zufferey는 해양학자, 해양생물학자 및 해안 지역 사회가 환경 모니터링, 샘플 수집 또는 해양 생물 관찰을 위해 이 저렴한 "수륙양용 드론"을 사용할 수 있도록 하는 것이 비전이라고 말했습니다. 관련 연구 결과가 권위 있는 저널 사이언스(Science)에 게재되었습니다.