한국 연구진, 주변 환경에 실시간으로 위장하는 카멜레온 로봇 개발
한국의 한 연구팀은 카멜레온에 매료된 나머지, 우스꽝스러운 눈과 뒤뚱거리는 걸음걸이, 그리고 무엇보다 필요에 따라 색이 변하는 피부를 가진 로봇을 만들었다.
“이 로봇은 걸으면서 동시에 색을 바꾼다. 그래서 이것은 말하자면 완전히 작동하는 카멜레온이라고 할 수 있다”
인공 전자 피부는 로봇이 기어가는 배경의 색에 맞추어 색조를 즉각적이고 자동으로 조절한다. 연구진이 Nature Communications에 자세히 설명한 이 발명품은 주변 환경에 따라 색과 무늬를 바꾸는 최초의 장치 중 하나이다. 이는 군사용 능동형 위장복의 새로운 세대를 만드는 데 도움이 되거나, 디자이너가 가까운 배경에 따라 다른 색으로 빛나는 의상 스타일을 만드는 데 도움이 될 수도 있다.
로봇은 다양한 색 외에도 외부 표면에 미리 프로그래밍된 여러 무늬를 표시할 수 있다. 이 피부는 주변 배경을 완벽하게 반영하지는 못하지만, 실제 카멜레온도 주변 환경을 반사하기보다 그곳에 녹아들기 위해 색조를 바꾼다. 이러한 능력을 모방하기 위해 연구진은 피부에 여러 무늬를 선택할 수 있게 했으며, 각 무늬는 독립적으로 켜고 끌 수 있다. 이 무늬 점, 줄무늬, 소용돌이의 조합은 로봇이 배경에 섞여 마법처럼 사라지려 할 때 대부분의 배경이 가진 복잡성을 반영한다.
“배경과 완벽하게 맞출 필요는 없다. 배경이 충분히 복잡하기만 하면 충분한 위장 효과를 얻을 수 있기 때문이다”
다색 로봇 '망토'를 만들기 위해 연구진은 얇은 액정 잉크 코팅을 사용해 피부를 만들었다. 이 액정은 분자의 배열에 따라 어떤 색이든 띨 수 있다. 이 입자들이 더 큰 나선 구조로 모이면 특정 색의 빛을 반사할 수 있다. 구조의 크기가 표시되는 색을 결정한다. 더 큰 반복 구조는 붉은 계열의 색을 만들고, 더 촘촘한 배열은 파란색으로 나타난다.
액정은 온도에 따라 배열과 색이 바뀐다. 연구진은 인공 도마뱀 피부 아래에 히터를 설치했다. 로봇의 배 아랫부분에는 최대 열 개의 색 센서가 설치되어 로봇 발밑의 색조를 추적한다. 센서는 색 정보를 로봇의 제어 장치로 보내고, 제어 장치는 히터를 작동시켜 바닥의 색과 표식에 최대한 맞춘다. 로봇 내부에 숨겨진 장치는 색이 안정적으로 유지되도록 가열 온도를 조절한다.
완성된 로봇은 바닥을 지나가면서 주변 환경의 색을 0.5초 만에 맞출 수 있다. 연구진은 로봇이 나뭇잎과 꽃 배경에서 효과적으로 숨을 수 있음을 보여주었으며, 여러 히터 모드를 동시에 활성화해 호랑이 줄무늬까지 복사한다.
온도에 민감한 액정은 새로운 기술이 아니지만, 연구진이 이를 이용해 카멜레온 효과를 만들어 내는 방식은 인상적이다. 스탠퍼드대학교의 재료공학자 쉬창지(Chengyi Xu)에 따르면, 이전 연구들은 주로 사람이 조작하는 작은 장치에서만 색 전환 기술을 보여주었다.
대신 홍석준과 고승환의 팀은 카멜레온 모형 전체를 스스로 색이 바뀌는 망토로 감쌌다. 쉬창지는 연구진이 색 감지와 온도 제어 같은 여러 기술을 잘 통합해 가장 사실적인 카멜레온 로봇을 만들었다며, "이것은 색이 바뀌는 자율 기기의 미래에 더 가깝다"고 말했다.
네브래스카대학교 링컨캠퍼스의 화학자 스티븐 모린에 따르면, 액정 코팅의 온도 조절에는 몇 가지 한계가 있다. 첫째, 피부는 식히기보다 데우기가 더 쉬워서, 빨간색에서 파란색으로 바뀌는 것만큼 파란색에서 빨간색으로 빠르게 전환할 수 없다.
또한 로봇이 사용하는 온도 범위는 상당히 좁다. 실온인 섭씨 25도에서 사람 몸과 같은 약 36도까지다. 피부 색은 특히 추운 날씨나 더운 날 직사광선 아래에서 환경에 따라 달라질 수 있다. 모린은 로봇의 색 변화를 재현하는 것이 쉽지 않다고 인정한다. 자연은 이것을 간단해 보이게 하지만, 카멜레온 피부의 반응 시간과 무늬의 무작위성은 재현하기 어렵다.
연구진은 이러한 약점을 모두 인식하고 이미 여러 해결책을 연구하고 있다. 예를 들어 냉각 시스템을 추가하면 온도 범위를 넓히고 로봇의 반응 속도를 높일 수 있다.
앞으로 연구진은 동물 세계에서 색을 바꾸는 또 다른 로봇 생명체, 즉 문어를 만들 계획이다. 바다 생물의 위장을 구현하기 위해 카멜레온의 인공 피부 설계를 차용할 예정이다. 그러나 문어의 움직임은 카멜레온보다 훨씬 복잡해, 이것이 공학적 과제가 된다.
홍석준, 고승환과 마찬가지로 쉬창지와 모린도 과거에 색을 바꾸는 소재를 연구한 적이 있다. 그들은 살아 있는 동물이 여전히 가장 잘 해내는 위장을 모방하기 위해 서로 다른 접근법을 사용했다. 쉬창지는 이 분야의 연구자들이 능동적으로 위장하는 생물의 생리학을 통해 아직 배울 것이 많다고 본다. 하지만 그 길은 쉽지 않을 것이다.
