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자동차/로봇 곤충을 모방한 소형 로봇의 세계 - 생체모방 로봇

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-05-15 20:52:00
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<그림1> 집게턱 개미에 영감을 받아 만들어진 ‘트리봇’

 

로봇이라고 하면, 대부분은 크기가 아주 크거나 적어도 사람만큼 큰 로봇을 떠올린다. 하지만 지금 전 세계의 로봇 연구자들이 중점적으로 연구하는 것은 곤충 크기 정도(또는 곤충보다 작은 크기)의 로봇이다.

 

로봇 연구자들을 곤충형 로봇에 뛰어들게 한 것은 곤충의 작은 크기만은 아니다. 벼룩이나 파리와 같은 다리가 6개인 생물의 일상생활을 구성하는 많은 복잡한 작업이나 신체적인 기능 때문이다.

 

로봇 개발에서의 과제는, 로봇을 얼마나 크고 강력하게 만드는가 하는 것이 아니다. 로봇이 얼마나 작고 똑똑한지도 중요하다. 단순한 로봇 한 무리를 지휘할 수 있으면, 무슨 일이 가능할까. 날거나, 수면을 달리거나, 천장까지 뛰어오르거나, 무리 지어 이동할 수 있는 로봇이 존재한다면 어떻게 사용할 수 있을까.

 

미국의 카네기멜론 대학교 교수로서 로봇 공학의 전문가인 제이네프는 자신의 연구실에서 이러한 의문을 해결하려 하고 있다.

 

제이네프에 따르면, 작은 로봇은 의학적으로 응용할 수 있다. 예를 들어, 타깃 부위에 약물을 전달하거나 절개를 하지 않고 간단한 외과 수술을 할 수 있다. 또한 소형 로봇은 지뢰밭 등 위험한 장소나 탐색 구조 활동에서도 인명을 구조할 수 있다.

 

개미나 꿀벌과 같이 연계할 수 있는 소형 로봇은 화성 등 다른 행성을 탐색하는 데에도 유용하며, 탐사되지 않은 위험한 장소에 사람이 갈 필요가 없다.

 

이것은 바이오 인스파이어드(생체모방) 로봇의 중요한 응용 사례 중 일부에 불과하다. 전 세계의 주요 로봇 공학 연구실의 로봇 연구자들이 3쌍 6개의 다리를 가진 곤충을 연구하는 데 주력하는 것은 그 때문이다.

 

특히 개미는 인기 있는 연구 대상이다. 개미는 크고 자기 자신보다 무거운 물건을 들어올린 채 숲이나 사막에서도 빠르게 이동할 수 있으며, 서로 협력하여 다리를 만들거나 장애물을 뛰어넘는다.

 

스위스 로잔 연방공과대학(EPFL)의 재구축 가능 로봇 연구소(RRL)의 창설자 겸 디렉터인 제이미 파이크의 연구팀은 집게턱 개미를 모본으로 하는 손바닥 크기의 전원식 로봇을 개발했다. 이 로봇은 환경에 대한 적응 및 공동 작업이 가능하다.

 

야생 집게턱 개미는 일반적인 개미가 하는 일과는 완전히 다른 행동을 한다. 또한 시속 약 145km라는 놀라운 속도로 강력한 턱을 움직이고, 그 반동을 이용하여 적에게서 빠르게 멀어진다.

 

파이크의 연구팀은 이와 같은 구조를 사용하여 각 로봇이 다양한 움직임을 할 수 있게 하였다. 예를 들어, 높이 날아오르는 수직 뛰기, 멀리 날아가는 수평 뛰기, 장애물을 넘기 위한 회전 뛰기, 울퉁불퉁한 면 위를 걷고, 평면에서 포복을 한다.

 

개미와 같이 각 그룹은 완전히 자율적으로 움직이지만, 서로 통신하며, 간단한 송신기를 통해 연계할 수 있다.

 

작고 간결한 자립형 로봇의 또 한 가지 이점은, 크기가 큰 로봇에 비해 가격이 저렴하기 때문에 일부 부품이 소실되거나 파괴되어도 임무를 수행할 수 있다는 점이라고, 파이크는 말한다.

 

곤충의 적응력을 로봇에 응용한다

 

왜 로봇 연구자들은 이렇게까지 곤충을 모방하는 걸까. 곤충은 할 수 있는 일을 증명하는 출발점이 되기 때문이라고, 파이크는 말한다.

 

예를 들어, 벼룩처럼 자신의 키의 100배에 달하는 높이까지 뛰어오르거나, 수직 장애물을 오르내리거나, 무당벌레처럼 크기가 큰 날개를 작고 가벼운 껍질 속에 수납하는 등의 일이 가능하다는 것을, 곤충이 증명해주고 있다. 파이크는 ‘이것은 자연의 최적화된 설계다’라고 말한다.

 

또한 크기가 큰 로봇의 가장 큰 과제 중 하나는 복잡한 지면 위에서 똑바로 서 있는 일이다. 케이스웨스턴리저브대학교 기계공학과 조교인 캐서린 달트리오는 ‘로봇은 평평한 면은 좋아하지만, 자연적인 지형은 울퉁불퉁하기 때문에 로봇이 똑바로 서기에 어렵다’고 지적한다.

 

<그림2> 바퀴벌레가 걷는 동작을 따라한 소형 로봇 ‘미니웨그’

 

곤충에게는 6개의 다리가 있다. 로봇공학적으로 말하면 두 쌍의 3개의 다리를 가진 것으로서, 안정성이 매우 높다. 또한 곤충은 다리뿐 아니라 다양한 구조나 소재를 사용하여 수직면을 횡단한다. 달트리오는 이러한 특징을 연구하여 모방함으로써, 매우 간결하면서도 훌륭한 로봇 ‘미니웨그’를 만들었다. 이 미니웨그에는 모터가 무려 하나밖에 없다.

 

동력과 소재

 

인간이 (아직) 유일하게 정확하게 재현하지 못하고 있는 것은, 곤충이 발정하거나 배설하는 등의 독자적인 소재다. 곤충은 작은 발톱, 가시, 점착성을 가진 다리를 사용함으로써 다양한 일을 할 수 있다.

 

달트리오는 면 지퍼나 점착 테이프, 공예품의 가시와 같은 인공 소재는 미니웨그에서 사용할 수 있었지만, 가볍고 생분해성이 있는 단단한 외골격 등, 다른 소재는 발견하지 못하고 있다. 달트리오에 따르면, 현재로서는 플라스틱과 탄소섬유가 저렴하고 간단한 외장제라고 한다.

 

하지만 모든 곤충이 단단한 것은 아니다. 또한 로봇 연구자들은 현재 모든 움직임을 다리에 의존하는 것이 아니라 유충과 같이 몸을 변형시키면서 이동하는 유연한 로봇을 개발하고 있다. 예를 들어, 습도에 반응하는 형상 기억 합금을 사용하면, 유연한 로봇이 동그랗게 말거나 굴러갈 수 있으며, 가열하면 원래대로 돌아온다.

 

소형 로봇의 또 한 가지 과제는 동력이다. 충전식 전지와 솔라패널이 가장 인기 있는 해결책이다. 하지만 재료 문제와 마찬가지로 동력과 관련해서도, 로봇 연구자들은 재료과학, 전지, 태양광 기술을 전문으로 하는 동료들과 밀접하게 연계하면서 자립형 로봇을 개발하고 있다.

 

로봇이 곤충과 같이 똑똑하고 기민해지려면, 로봇 연구자들이 더욱더 연구해야 한다.

 

달트리오는 ‘작은 파리조차 고도의 반응력을 보인다. 그들은 빠르게 반응하며, 많은 지각 정보에 대응할 수 있다’고 하면서, 더욱이 ‘(곤충은) 이처럼 매우 풍부하고 적용 가능한 행동 레파토리를 갖고 있지만, 아직 그러한 것들을 로봇에서 재현해내지 못하고 있다’고 덧붙였다.

 

 

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