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하버드대학 공학 및 응용 과학부(SEAS) 존 A. 폴슨 연구팀이 지상에서 보행이 가능할 뿐 아니라 물 위를 헤엄치고 표면 장력을 활용해 잠수까지 할 수 있는 로봇 바퀴벌레 발명에 성공했다.
이 로봇 바퀴벌레는 포식자를 피하고 먹이를 포획하기 위해 다양한 방식의 운동을 보이는 몇 종의 거미류와 곤충에서 착안해 개발됐다. 정지 표면 장력을 활용해, 이 동물들은 수면 위를 움직일 수 있다. 표면 장력이 몸무게의 열배 이상이 넘어가면 빠른 움직임을 구현할 수 있다.
아울러 잠수 파리와 잠수 풍뎅이 등 수면을 뚫고 들어가 물속에서 헤엄치며 먹이를 잡고, 알을 낳을 수 있을 정도의 힘을 만들어 내는 곤충도 존재한다. 수면 위에서 움직이고, 지상과 수중을 전환해 가며 이동하며, 잠수까지 할 수 있는 능력 덕에 이러한 생물들은 높은 염분 함량으로 유명한 캘리포니아의 모노 호수와 같은 극한의 환경에서도 번창할 수 있다.
하버드 보행 마이크로로봇
하버드 보행 마이크로로봇(HAMR)이라는 이름으로도 알려진 이 로봇 바퀴벌레는 헤엄칠 때 표면 장력과 부력에 의존하며 잠수를 원할 시 전압을 걸어 수면을 뚫을 수도 있는 다기능 발 패드를 가지고 있다. 이러한 과정은 전기 습윤으로 불리며, 특정 전압을 인가해 소재와 수면 간의 접촉 각도를 줄이는 과정이다.
로봇의 운동
HAMR은 네 쌍의 비대칭 플랩을 사용해 수면 위를 움직이며, 이를 통해 수면 아래의 장애물을 피하고 항력을 배제할 수 있다. 플랩과 물 사이의 불안정한 상호작용은 잠수 풍뎅이와 유사한 수영 동작을 구사한다. 이러한 움직임을 통해 로봇은 앞으로 헤엄쳐 나아가고 방향을 전환할 수 있다.
로봇 제작
이 로봇은 인쇄 회로 마이크로 전기-기계 시스템을 사용해 제작됐다. 우선 소재를 23개 미세한 층으로 조립한 뒤, 레이저를 사용해 정확한 패턴으로 잘라낸다. 그 후 이러한 패턴을 유연한 소재를 경첩으로 사용해 3차원 형태로 접을 수 있다. 로봇의 다리는 초당 70회 앞뒤로 움직일 수 있는 소형 압전 세리믹 구동기로부터 동력을 공급받는다.
이번 연구의 수석 연구원이자 SEAS의 박사 후 연구원인 케빈 첸은 “이 로봇의 제작으로 마이크로로봇이 소규모 물리학 원리를 활용해 대형 로봇에게는 불가능한 기능과 작업을 수행할 수 있음이 밝혀졌다”고 언급했다.
첸의 공동 연구자인 닐 도쉬는 “HAMR의 크기가 성능에 결정적인 영향을 준다”며 “만약 로봇이 더 컸다면 표면 장력으로 지탱하기 어려웠을 것이며, 더 작았다면 수면을 뚫을 만한 힘을 만들어낼 수 없었을 것”이라고 설명했다.
이 로봇 바퀴벌레는 포식자를 피하고 먹이를 포획하기 위해 다양한 방식의 운동을 보이는 몇 종의 거미류와 곤충에서 착안해 개발됐다. 정지 표면 장력을 활용해, 이 동물들은 수면 위를 움직일 수 있다. 표면 장력이 몸무게의 열배 이상이 넘어가면 빠른 움직임을 구현할 수 있다.
아울러 잠수 파리와 잠수 풍뎅이 등 수면을 뚫고 들어가 물속에서 헤엄치며 먹이를 잡고, 알을 낳을 수 있을 정도의 힘을 만들어 내는 곤충도 존재한다. 수면 위에서 움직이고, 지상과 수중을 전환해 가며 이동하며, 잠수까지 할 수 있는 능력 덕에 이러한 생물들은 높은 염분 함량으로 유명한 캘리포니아의 모노 호수와 같은 극한의 환경에서도 번창할 수 있다.
하버드 보행 마이크로로봇
하버드 보행 마이크로로봇(HAMR)이라는 이름으로도 알려진 이 로봇 바퀴벌레는 헤엄칠 때 표면 장력과 부력에 의존하며 잠수를 원할 시 전압을 걸어 수면을 뚫을 수도 있는 다기능 발 패드를 가지고 있다. 이러한 과정은 전기 습윤으로 불리며, 특정 전압을 인가해 소재와 수면 간의 접촉 각도를 줄이는 과정이다.
로봇의 운동
HAMR은 네 쌍의 비대칭 플랩을 사용해 수면 위를 움직이며, 이를 통해 수면 아래의 장애물을 피하고 항력을 배제할 수 있다. 플랩과 물 사이의 불안정한 상호작용은 잠수 풍뎅이와 유사한 수영 동작을 구사한다. 이러한 움직임을 통해 로봇은 앞으로 헤엄쳐 나아가고 방향을 전환할 수 있다.
로봇 제작
이 로봇은 인쇄 회로 마이크로 전기-기계 시스템을 사용해 제작됐다. 우선 소재를 23개 미세한 층으로 조립한 뒤, 레이저를 사용해 정확한 패턴으로 잘라낸다. 그 후 이러한 패턴을 유연한 소재를 경첩으로 사용해 3차원 형태로 접을 수 있다. 로봇의 다리는 초당 70회 앞뒤로 움직일 수 있는 소형 압전 세리믹 구동기로부터 동력을 공급받는다.
이번 연구의 수석 연구원이자 SEAS의 박사 후 연구원인 케빈 첸은 “이 로봇의 제작으로 마이크로로봇이 소규모 물리학 원리를 활용해 대형 로봇에게는 불가능한 기능과 작업을 수행할 수 있음이 밝혀졌다”고 언급했다.
첸의 공동 연구자인 닐 도쉬는 “HAMR의 크기가 성능에 결정적인 영향을 준다”며 “만약 로봇이 더 컸다면 표면 장력으로 지탱하기 어려웠을 것이며, 더 작았다면 수면을 뚫을 만한 힘을 만들어낼 수 없었을 것”이라고 설명했다.
로봇의 크기
이 로봇의 무게는 큰 종이 집게와 비슷한 1.65그램에 불과하다. 그러나 가라앉지 않으면서도 추가로 1.44그램 화물을 운반할 수 있고, 10Hz 진동수로 다리를 움직일 수 있다. 물속에서 합선을 막기 위해 로봇은 파릴렌으로 코팅돼 있다.
HAMR이 수면 아래로 잠수하고 나면, 동일한 운동 방식을 사용하기 때문에 땅 위와 마찬가지로 원활한 보행이 가능하다. 지상으로 돌아오려고 하면 물의 표면 장력으로부터 매우 큰 힘을 받는데, 무게의 약 두 배에 해당하는 힘이 로봇을 누른다.
또한, 유도 토크로 인해 로봇의 뒷다리에 작용하는 마찰력이 크게 증가한다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 연구진은 로봇의 변속 장치를 강화하고 로봇 앞다리에 소프트 패드를 부착함으로써 화물 운반 능력을 높이고 수면으로 부상할 때 발생하는 마찰력을 분산시켰다. 마침내 이 로봇은 적당한 경사면을 걸어 올라 수면 위로 나올 수 있게 됐다.
공동 연구원이자 SEAS 찰스 리버 공학 및 응용 과학 교수인 로버트 우드 설명에 의하면, HAMR은 소형 로봇이 제시하는 기회와 어려움을 동시에 보여준다. 우드는 “크기를 줄임으로써 운동성이 높아지지만, 큰 규모에서는 느끼지 못할 정도의 힘이 곤충 규모의 로봇에서는 큰 요인으로 작용하는 원인이 되기도 한다”고 전했다.
연구진은 로봇의 운동 능력을 개선하고 경사로 없이도 지상으로 오를 수 있는 방법을 모색 중이다. 이를 위해 도마뱀붙이가 사용하는 것과 유사한 접착제나 임펄스 점프 방식을 활용할 계획이다.
한편, 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션 저널에 출판됐으며 SEAS, 위스 생체 모방 공학연구소,해군 연구실 국방 대학 연구 프로그램의 자금 지원을 받아 이뤄졌다.
이 로봇의 무게는 큰 종이 집게와 비슷한 1.65그램에 불과하다. 그러나 가라앉지 않으면서도 추가로 1.44그램 화물을 운반할 수 있고, 10Hz 진동수로 다리를 움직일 수 있다. 물속에서 합선을 막기 위해 로봇은 파릴렌으로 코팅돼 있다.
HAMR이 수면 아래로 잠수하고 나면, 동일한 운동 방식을 사용하기 때문에 땅 위와 마찬가지로 원활한 보행이 가능하다. 지상으로 돌아오려고 하면 물의 표면 장력으로부터 매우 큰 힘을 받는데, 무게의 약 두 배에 해당하는 힘이 로봇을 누른다.
또한, 유도 토크로 인해 로봇의 뒷다리에 작용하는 마찰력이 크게 증가한다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 연구진은 로봇의 변속 장치를 강화하고 로봇 앞다리에 소프트 패드를 부착함으로써 화물 운반 능력을 높이고 수면으로 부상할 때 발생하는 마찰력을 분산시켰다. 마침내 이 로봇은 적당한 경사면을 걸어 올라 수면 위로 나올 수 있게 됐다.
공동 연구원이자 SEAS 찰스 리버 공학 및 응용 과학 교수인 로버트 우드 설명에 의하면, HAMR은 소형 로봇이 제시하는 기회와 어려움을 동시에 보여준다. 우드는 “크기를 줄임으로써 운동성이 높아지지만, 큰 규모에서는 느끼지 못할 정도의 힘이 곤충 규모의 로봇에서는 큰 요인으로 작용하는 원인이 되기도 한다”고 전했다.
연구진은 로봇의 운동 능력을 개선하고 경사로 없이도 지상으로 오를 수 있는 방법을 모색 중이다. 이를 위해 도마뱀붙이가 사용하는 것과 유사한 접착제나 임펄스 점프 방식을 활용할 계획이다.
한편, 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션 저널에 출판됐으며 SEAS, 위스 생체 모방 공학연구소,해군 연구실 국방 대학 연구 프로그램의 자금 지원을 받아 이뤄졌다.
출처:네이버포스트
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