英 사우샘프턴대, 새와 물고기에서 영감을 얻은 수중용 로봇 날개 개발

▲새와 물고기에서 영감을 얻은 소프트 로봇 날개.

영국 사우샘프턴대(University of Southampton) 연구팀이 새와 물고기처럼 공기나 물의 흐름을 '느끼고' 몸(날개)을 실시간으로 변형할 수 있는 수중용 소프트 로봇 날개를 개발했다.

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이 로봇 날개는 물속에서 수류 변화를 스스로 감지하며, 날개 형태를 바꿔 기존 자율수중로봇(AUV·autonomous underwater vehicles)의 기술적인 한계인 에너지 낭비와 불안정성 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

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사우샘프턴대 연구팀은 에딘버러대, 네덜란드 델프트공대 등 연구팀과 협력해 소프트 로봇 기술과 전자 피부(e-skin) 기술을 결합해 수류 변화에 자동으로 적응할 수 있는 수중용 로봇 날개를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이번 연구 성과를 전문 학술지인 ‘npj 로보틱스’에 발표했다. (논문 제목:Harnessing proprioception in aquatic soft wings enables hybrid passive-active disturbance rejection)

▲물의 흐름에 반응하는 전자피부.

이 기술은 △느끼기(전자 피부)와 △반응하기(유압 시스템)를 특징으로 한다. 날개 표면에 있는 액체 금속 와이어로 된 전자 피부(e-skin)는 마치 생물의 신경처럼 작동한다. 물살의 변화로 날개가 조금이라도 휘어지면 즉시 신호를 보낸다. 또한 신호를 받은 날개 내부의 튜브가 유압으로 부풀어 오르거나 수축하며 날개의 강성과 곡률(휘어진 정도)을 자동으로 조절한다.

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실험 결과, 이 로봇 날개는 갑작스러운 해류 발생시 일어나는 상승 충격을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 기존 AUV의 경직된 날개와 비교해 상승 충격을 87% 줄일 수 있다. 유사한 소프트 로봇 날개보다 반응 속도가 최대 4배 빠르고, 열에너지 기반 형태 변형 시스템에 비해 에너지 소비는 5배가량 적은 것으로 나타났다.

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연구팀은 생물의 '자기수용감각(proprioception)'에서 착안해 이번 소프트 로봇 날개의 핵심 기술을 개발했다. 자기 수용감각은 신체 내부의 위치·운동·힘 감각을 의미한다.

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연구팀은 새가 깃털로 기류를 감지하고, 물고기가 측선 기관이나 지느러미를 통해 수류를 느끼는 것 처럼 수중 로봇 날개를 설계했다. 실리콘으로 감싼 액체 금속 와이어로 구성된 전자 피부가 신경처럼 작동해 날개가 휘어질 때 신호를 보낸다. 날개 내부에 있는 두 개의 튜브가 유압으로 가압돼 날개의 강성과 곡률을 자동으로 조절한다.

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기존 AUV는 경직된 몸체와 날개로 인해 돌발적인 해류나 파도에 취약했다. 자세를 유지하는 데 막대한 에너지를 소모해야 했고, 기동성과 효율성에서 물고기나 새에 크게 뒤처진다는 한계가 있었다.

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논문 제1저자인 레오 미클럼(Leo Micklem) 연구원은 "바다의 힘에 맞서도록 설계된 '더 강한' 로봇을 만드는 대신, 환경과 공존하는 더 영리하고 유연한 기계를 만드는 방향으로 나아가고 있다"고 말했다.

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논문 공동 저자인 블레어 손턴(Blair Thornton) 사우샘프턴대 교수는 "해양 환경은 역동적이고 예측 불가능하기 때문에 로봇이 주변 상황을 지속적으로 감지하고 반응할 수 있어야 한다"며 "소프트 소재를 감지와 제어에 통합한 이번 접근법은 자연적인 수중 환경에서 안정적으로 작동하는 적응형 시스템에 한 걸음 더 가까이 다가선 것"이라고 평가했다.

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백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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