로봇 참치가 더 기동성 있고 효율적인 수중 로봇과 드론의 길을 열 수 있다
수중을 헤엄칠 수 있는 로봇은 새로운 것이 아닙니다. 예를 들어 2021년 초 Carnegie Mellon은 유명한 뱀 로봇에 터빈과 추진 장치를 달아 수상 스포츠를 즐길 수 있는 능력을 부여했습니다. 그러나 진짜 물고기만큼 우아하고 빠르며 가볍게 움직일 수 있는 로봇은 많지 않습니다. 과학자들이 바로 그런 로봇을 만들려고 시도하지 않았던 것은 아닙니다.
수중 로봇은 심해 탐사에 유용합니다. 침몰선에서 새로운 생명체에 이르기까지 다양한 대상을 조사할 수 있습니다. 하지만 몇 가지 한계가 있습니다. 예를 들어 대개 한 가지 속도로만 움직이는 경향이 있고, 운용자는 대부분 원하는 지점 근처에 로봇을 투입해야 합니다. 잠수용 추진 장치, 주로 수중 스쿠터는 빠르지만 자세한 조사가 필요한 대상에 가까이 접근할 수는 없습니다.
정말 필요한 것은 먼 곳까지 수중을 헤엄쳐 갈 수 있고, 그다음 더 자세히 살펴보기 위해 속도를 줄일 수 있는 수중 로봇입니다. 하지만 이는 언뜻 보기보다 훨씬 어렵습니다.
버지니아 대학교 연구진은 물고기 꼬리의 강성을 모방해 위의 모든 기능을 수행할 수 있는 로봇 장치를 고안했으며, 아름답고 단순한 수학 공식을 발견해 적용했습니다. 그 결과 실제 물고기와 거의 같은 수준으로 가속하고 감속할 수 있는 로봇이 만들어졌습니다. 연구 결과는 Science Robotics에 게재되었습니다.
물고기의 수수께끼가 풀렸다
“꼬리의 강성이 하나로 고정되어 있는 것은 자전거에 기어가 하나뿐인 것과 같습니다. 한 가지 속도에서만 효율적일 수 있습니다. 이는 샌프란시스코를 단일 기어 자전거로 달리는 것과 비슷해서, 몇 블록 만에 지쳐 버릴 것입니다”
Quinn과 동료 연구자 Qiang Zhong은 물고기가 자주 바뀌는 속도 요구를 충족하기 위해 꼬리의 강성을 바꾼다고 가정했습니다. 안타깝게도 헤엄치는 물고기에서 이를 확인하거나 측정하기는 어려워서, 다양한 속도에서 효율적으로 움직이는 데 필요한 강성은 알려지지 않았습니다. 연구진은 유체역학과 생체역학을 결합해, Zhong의 말처럼 "꼬리 강성이 수영 효율에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 오래된 수수께끼를 풀" 수 있는 모델을 개발했습니다.
수수께끼의 해답은 뜻밖에도 우아했습니다. "놀랍습니다. 모든 수학을 거친 끝에 단순한 결과가 나왔습니다. 강성은 헤엄치는 속도의 제곱에 비례해 증가해야 합니다"라고 Quinn은 말했습니다.
참치가 시험을 통과하다
결론을 검증하기 위해 연구진은 프로그래밍 가능한 인공 힘줄을 갖춘 참치 모양의 수중 로봇을 만들었습니다. 이 힘줄로 시험용 수로를 이동하는 동안 속도에 따라 꼬리의 강성을 조절할 수 있었습니다.
“우리 로봇은 꼬리 강성을 고정한 같은 로봇보다 거의 절반의 에너지만 사용하면서도 더 넓은 범위의 속도로 헤엄칠 수 있게 되었습니다. 개선 효과는 정말 놀라웠습니다”
Zhong은 연구진의 학제 간 접근법을 높이 평가합니다. "우리는 이론적 분석에만 집중하지 않고, 강성 조절을 위한 실용적인 지침도 제시합니다." 연구진이 제안한 조절 가능한 강성 전략은 현실적인 수영 임무에서 효과가 입증되었으며, 물고기 로봇은 높은 속도와 높은 수영 효율을 동시에 달성했습니다.
조절 가능한 참치로 이론을 입증한 과학자들은 올챙이 크기부터 돌고래 크기까지의 수중 로봇에 이 꼬리 기술을 옮기는 데 관심을 갖고 있습니다. 현재 Quinn과 Zhong은 가오리를 바탕으로 한 물결 모양 로봇을 개발하고 있습니다.
"물고기는 넓은 속도 범위에서 높은 수영 효율을 보입니다. 이 성능의 핵심은 유연성이지만, 성능 측면에서 유연한 로봇 물고기조차 실제 물고기를 따라잡지 못합니다. <…> 우리는 강성 조절이 성능에 어떻게, 그리고 왜 영향을 미치는지 설명하는 모델을 개발했습니다. 최대 효율을 위해서는 근육 장력이 수영 속도의 제곱에 비례해야 함을 보여 주며, 물고기형 로봇을 위한 간단한 조절 전략을 제안합니다. 강성 조절은 참치와 비슷한 주파수와 속도(0~6헤르츠, 초당 0~2체장)에서 수영 효율을 두 배로 높일 수 있습니다. 주파수가 높아질수록 에너지 절감 효과가 커지므로, 고주파 물고기형 로봇이 강성 조절로 가장 큰 이익을 얻는다는 것을 알 수 있습니다"라고 연구 자료에 쓰여 있습니다.
“가까운 시일 안에 프로젝트가 바닥날 것 같지는 않습니다. 우리가 살펴본 수중 생물 하나하나가 더 뛰어난 수영 로봇을 만들 새로운 아이디어를 주었습니다. 바다에는 아직 물고기가 많습니다”
언젠가 이 연구는 먼 곳까지 빠르게 이동한 뒤 속도를 줄여 주변을 조사할 수 있는 드론 계열의 탄생으로 이어질 수도 있습니다. 미 육군이 뱀 모양 수중 로봇처럼 함정의 손상 여부를 점검하는 데 활용할 수도 있을 것입니다.
