참치처럼 헤엄치는 로봇...차세대 수중 드론 개발 중

 

 

▲ 로봇 지느러미

 

미국 메릴랜드대(UMD) 세실리아 우에르타스 세르데이라(Cecilia Huertas Cerdeira) 교수팀이 참치의 꼬리 지느러미 동작을 모방한 무인수중로봇(UUV·Unmanned Underwater Vehicle)을 개발하고 있다고 밝혔다.

 

이 수중 로봇은 참치의 꼬리 지느러미를 본뜬 로봇 지느러미 프로펠러를 장착, 빠르게 심해로 진입하고, 뛰어난 기동성을 갖출 것으로 보인다. 이번 연구 성과는 전문 학술지 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 발표됐다. (논문 제목: A 3-DOF Caudal Fin for Precise Maneuvering of Thunniform-Inspired Unmanned Underwater Vehicles)

 

우에르타스 세르데이라 교수는 “수백만 년 동안 진화해온 생물학적 유영자들(biological swimmers)은 회전 프로펠러를 장착한 그 어떤 장치보다 효율적으로 움직인다”며 “우리는 물고기를 만들 수는 없지만, 물고기처럼 움직이는 로봇을 제작하고 최적화할 수 있다”고 말했다.

 

 

 

▲ UUV는 후미에 위치한 3 자유도의 꼬리지느러미 프로펠러를 갖추고 있다.

 

연구팀은 연말까지 로봇 지느러미 제작을 완료하고, UMD 내 ‘유체역학 연구소’의 수중 터널에서 테스트를 진행할 계획이다. 수중 드론이 완성되면 2~3년 후에는 메릴랜드 남부의 ‘메릴랜드 자율기술 연구혁신 및 탐사 연구소’에서 추가 시험을 진행할 예정이다.

 

이번 연구는 잠수함 승무원이 수행하기에는 비용이 지나치게 높거나 위험한 작업을 대신할 UUV의 필요성이 증가하는 흐름과 맞물려 있다. 수중 드론은 제작 및 운영 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 누출된 송유관을 촬영하고, 극지방 빙붕의 온도를 측정하며, 폐기물을 청소하고, 해양 생물을 연구하는 등 다양한 임무를 수행할 수 있다. 또한, 수중 기뢰 제거와 같은 군사 작전에도 활용될 수 있다.

 

그러나 기존의 UUV 추진 시스템은 종종 매끄럽지 못하고, 속도가 느린 경우가 많다. 또한 추진기가 측면에 돌출되어 있어 항력(drag)을 증가시키고, 윙윙거리는 모터 소음이 물고기를 놀라게 하거나 스텔스 군사 작전의 은폐 효과를 방해할 수 있다.

 

해군 예비역 장교이자 델라웨어대학교 소속 과학자인 롭 니콜슨(Rob Nicholson)은 흔히 ‘블루 테크(Blue Tech)’라고 불리는 분야를 연구하고 있다. 그는 “항공 드론 기술은 해양 드론보다 약 10년 정도 앞서 있다”며 “초기에는 국방부와 석유·가스 업계가 UUV 개발에 투자했지만, 학계에서도 혁신이 지속되면서 점점 더 많은 돌파구가 생겨날 것”이라고 전망했다.

 

우에르타스 세르데이라 교수는 물고기의 꼬리지느러미가 조용하고 유선형이라는 점에 주목하며, 기계식 버전도 이러한 성능을 유지할 수 있을 것이라고 확신하고 있다. 그녀는 유체역학 전문가로서, 물체가 공기나 물을 통과할 때 어떻게 움직이고 구부러지는지를 연구해왔다. 연구 초기에는 풍력 터빈을 연구했으나, 이후 전통적인 드론과 최근에는 UUV로 관심을 확대했다.

 

그녀는 연구를 통해 물고기가 물의 저항을 극복하기 위해 지느러미의 강성을 조절하며, 유영 실력을 향상시켜 왔다는 사실을 밝혀냈다. 물고기가 지느러미를 움직일 때, 특정 부분이 유연해지고 다른 부분은 단단해지는데, 이는 기존의 2차원 프로펠러와는 전혀 다른 유동적 움직임을 보여준다.

 

연구팀은 참치가 헤엄칠 때 사용하는 강성 분포를 모방한 로봇 지느러미를 개발해 수중 드론을 구동할 수 있는 가능성을 탐색했다. 연구팀은 지느러미에 여러 개의 구멍을 뚫어 가압된 공기를 주입하거나 제거하는 방식으로 물고기의 유영 메커니즘을 모방할 계획이다.

 

우에르타스 세르데이라 교수는 이번 연구가 생물학적 영감을 바탕으로 한 차세대 UUV 개발에 기여하고, 전 세계적인 수중 탐사를 촉진하는 데 도움이 되길 기대하고 있다. 그녀는 “개선된 추진 시스템이 수중 활동을 한 단계 더 발전시키는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

장길수 ksjang@irobotnews.com

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