기린 목의 힘과 유연성이 일본의 새 로봇 개발에 영감을 주다
로봇의 유연성을 떠올리면 보통 문어의 촉수나 코끼리의 코를 흉내 낸 소프트 로봇이 대표적인 예로 꼽힙니다. 이들은 고유한 능력을 갖추고 있습니다. 하지만 대부분의 동물은 어느 정도 부드럽고 유연하며, 보통 단단한 내부 구조와 결합되어 있습니다.
이는 복잡한 시스템이며, 힘과 제어 측면에서 뚜렷한 장점도 있습니다. 도쿄공업대학 연구진은 동물 세계에서 가장 인상적인 유연성과 힘의 조합 중 하나로 꼽히는 기린의 목을 모방하는 실험을 진행했습니다.
아직 연구 단계에 머물러 있으며, 실제 동물의 해부학적 구조를 기계에 옮기는 방법을 찾는 데 도움이 되는 것이 목표입니다. 그럼에도 로봇 목은 이미 실제 기린과 비슷하게 움직이고, 가해진 힘(엔지니어의 손으로 가한 힘)에 맞춰 적응할 수 있습니다. 이 프로토타입은 살아 있는 기린이 할 수 있는 모든 것에는 아직 한참 못 미치지만, 엔지니어들은 유연성과 내구성을 높일 계획입니다.
«기린의 목은 대형 로봇 기구를 설계할 때 좋은 대안이 될 수 있는 훌륭한 특성을 지니고 있습니다. 예를 들어 기린들이 서로 목을 때릴 때 목은 빠르게 움직일 수 있습니다. 또한 기린의 목은 충격을 막는 데 도움을 주고, 상대의 목 모양과 단단함에 맞춰 적응합니다. 반면 일반적인 로봇 기구는 이러한 힘과 유연성을 갖추는 데 한계가 있습니다. 즉, 강력하면서도 충격에 강하고, 상대에 맞춰 운동학적·동역학적으로 적응할 수 있어야 한다는 뜻입니다», — 연구에서 이렇게 밝혔습니다.
기린의 목은 최대 150킬로그램까지 나갈 수 있고 길이는 2미터에 이릅니다. 진화 과정에서 이들의 목은 높이 자라는 맛있는 잎을 얻기 위해서뿐 아니라, 수컷 기린들이 목으로 서로 싸우며 때로는 죽음에 이르기도 하기 때문에 강하고 유연해졌습니다. 대형 로봇을 개발하는 데 이보다 좋은 영감의 원천이 있을까요?
강력하고 유연한 로봇을 만들기 위한 첫걸음으로, 연구진은 해부학적 지식을 바탕으로 기린 목의 구조와 기전을 모방한 반 크기의 스켈레톤-근육 로봇을 만들었고, 그 성능의 일부를 재현했습니다.
이 장치는 3D 프린터로 제작한 골격 기구, 고무 소재와 장력 조절기를 사용해 후두인대를 모방한 중력 보상 기구, 얇은 인공 근육을 이용한 이중 근육 제어 시스템, 그리고 고무 디스크와 인대를 모방한 특수 관절로 구성되어 있습니다.
기린 목 로봇은 실제 기린 목과 유사한 척추뼈와 힘줄 배열을 갖추어 그 구조를 최대한 모방하며, 실제 근육처럼 수축력을 내는 얇은 공압식 맥키벤 인공 근육을 사용합니다. 까다롭지만 상당한 유연성을 제공합니다.
논문 저자들은 기린이 서로 접촉할 때 목의 힘과 유연성을 손상 없이 사용할 수 있지만, 일반적인 기계 시스템은 그렇게 하지 못한다고 지적합니다.
지금까지 연구자들은 기린 목과 같은 힘과 유연성을 갖춘 기계나 로봇을 만들지 못했습니다. 예를 들어 실제 산업용 크레인 두 대가 싸운다면 피해는 치명적이어서 두 크레인 모두 망가질 것이라고 쉽게 상상할 수 있습니다. 이에 비해 실제 기린의 목은 덜 파괴적이며 이상한 일을 일으키지 않습니다.
어쨌든 연구자들은 실용적인 힘, 유연성, 제어를 결합한 로봇 시스템을 만드는 일이 코끼리 코 모델보다 기린 목 모델로 하는 편이 더 쉬울 수 있다고 봅니다. 부드러움과 유연성을 일부 포기하는 대신, 산업 분야에서 쓸 수 있을 만큼 힘을 낼 수 있도록 실제로 작동시킬 수 있다는 것입니다.
이 로봇의 이름은 '기린 목 로봇 1호'입니다. 창의적인 이름은 아니지만, 앞으로 다른 로봇들이 이어질 것을 시사합니다. 다음 단계는 공압 대신 유압 구동기를 사용해 힘을 몇 배 이상 높이는 것으로 보입니다.
«이 연구는 기린 목의 뛰어난 특성을 로봇 기구 개발에 적용하는 것을 목표로 합니다. 특히 로봇공학자와 동물 해부학자들이 협력해 기린 목의 해부학을 바탕으로 강력하고 유연한 긴 스켈레톤-근육 로봇을 개발했습니다. 이 스켈레톤-근육 로봇 프로토타입은 쉽게 휘어지는 얇은 공압식 맥키벤 인공 근육으로 구동됩니다. 결과는 근육과 인대 사이의 협응, 그리고 외부 힘에 따른 형태 적응성을 입증합니다», — 연구진이 밝혔습니다.
실험 결과는 연구진이 기린과 같은 힘과 유연성을 제공할 수 있는 기구를 로봇 모델로 구현하는 데 성공했음을 보여줍니다. 진화가 약 40억 년에 걸쳐 최고의 공학적 해법들을 만들어 왔으므로, 연구자들은 결국 자연에서 자신들의 과제에 대한 해법을 찾을 수밖에 없습니다.
