MIT 연구진, 우주에서 형태를 바꾸는 큐브형 로봇 개발
우주에 크고 독립적인 로봇 떼를 보내거나, 더 작은 로봇 모듈로 구성된 대규모 팀을 보내야 한다면, 후자를 선택할 수 있습니다.
〈빅 히어로〉 같은 영화에 등장하는 모듈형 로봇은 자가 조립과 재구성 능력 덕분에 특별한 기대를 모읍니다. 하지만 우주 탐사, 수색 및 구조, 형태 변환 등의 분야에 빠르고 안정적으로 배치하려는 야심에도 불구하고, 현재 만들어진 모듈형 로봇은 아직 다소 어설픕니다.
일반적으로 이들은 움직임을 위해 크고 값비싼 모터 세트로 만들어지며, 그래서 개수와 크기 측면에서 더 확장 가능한 구조에 대한 절실한 관심이 필요합니다.
매사추세츠공과대학교(MIT) 컴퓨터과학·인공지능 연구소(CSAIL)의 연구진은 전자기학에 눈을 돌렸습니다. 전류의 움직임으로 생성되는 전자기장, 즉 이를 이용해 크고 비싼 구동장치를 개별 부품으로 조립하는 일반적인 방식을 피하려는 것입니다.
대신 연구진은 큐브의 모서리에 작고, 만들기 쉽고, 저렴한 전자석을 넣었습니다. 이 전자석은 밀고 당기는 힘을 만들어 로봇이 회전하고 서로의 주위를 움직이며, 빠르게 형태를 바꿀 수 있게 합니다.
ElectroVoxel의 한 변 길이는 약 60mm이며, 자석은 구리선으로 감싼 페라이트 코어(자기회로의 일종으로, 작은 검은 튜브처럼 생겼습니다)로 이루어지며, 총 비용은 단 0.60달러입니다. 각 큐브 내부에는 올바른 방향으로 올바른 전자석에 전류를 흘려보내는 작은 인쇄회로기판과 전자장치가 들어 있습니다.
두 요소를 기계적으로 연결해야 하는 기존 연결 방식과 달리, ElectroVoxel은 완전히 무선이어서 대규모 시스템의 유지보수와 생산을 크게 단순화합니다.
블록 그룹이 상호작용할 때 어떤 모습일지 더 잘 보여주기 위해, 연구진은 재구성 과정을 시각화하고 그 아래에 있는 전자기 분포를 계산하는 소프트웨어 플래너를 사용했습니다. 사용자는 몇 번의 클릭만으로 최대 1,000개의 큐브를 조작할 수 있으며, 여러 연속 회전을 담은 사전 정의된 스크립트를 사용할 수도 있습니다.
이 시스템은 사용자가 합리적인 범위 안에서 블록의 움직임을 제어할 수 있게 합니다. 속도를 바꾸고, 자석을 선택하고, 충돌을 피하기 위해 필요한 움직임을 표시할 수 있습니다. 블록들이 (예를 들어 의자나 소파 같은) 서로 다른 형태를 취하도록 지시할 수도 있습니다.
저렴한 작은 블록은 특히 미세중력 환경에 유리합니다. 이런 환경에서는 궤도로 발사하려는 모든 구조물이 발사에 쓰이는 로켓 안에 들어가야 합니다. 초기 시험 이후 ElectroVoxel 연구진은 무중력 비행 시험에서 실제 무중력 상태를 확인했으며, 연료 없이 재구성하거나 우주선의 관성 특성을 바꾸는 등 우주 탐사 도구를 개선하려는 전반적인 동기도 확인했습니다.
예를 들어, 연료를 사용하지 않는 작동 방식을 쓰면 재구성을 위해 추가 연료를 실을 필요가 없어, 발사 질량과 부피와 관련된 많은 문제를 해결할 수 있습니다.
따라서 이 재구성 방법이 여러 미래 우주 사업에 도움이 될 것이라는 기대가 있습니다. 여러 차례 발사로 우주 구조물을 확장하고 교체하거나, 우주선 점검과 우주비행사 지원을 위한 임시 구조물을 만들거나, 저장 컨테이너를 자율적으로 분류하는 차세대 큐브 등이 그 예입니다.
“ElectroVoxel은 완전히 재구성 가능한 시스템을 설계하는 방법을 보여주며, 궤도에서 완전한 기능을 갖춘 모듈형 로봇 시스템을 구현하려면 해결해야 할 과제를 과학계에 소개합니다. 이 연구는 전자기 구동 회전 큐브를 만들고 운용하며 유지하는 것이 얼마나 간단한지 보여주며, 이를 통해 유연하고 모듈형이며 재구성 가능한 시스템을 만들 수 있고, 향후 연구 임무의 지능형 부품 개발에 영감을 줄 수 있습니다”
블록이 움직이려면 작은 동일한 테트리스 조각처럼 정해진 순서를 따라야 합니다. 이 경우 분극 순서는 세 단계로 이루어집니다. 발사, 이동, 포획입니다. 각 단계에는 이동하는 큐브(이동용), 출발점(이동하는 큐브가 발사되는 곳), 도착점(이동하는 큐브를 붙잡는 곳)이 있습니다.
사용자는 소프트웨어를 통해 어떤 큐브를 어느 방향으로 회전시킬지 지정할 수 있으며, 알고리즘이 이를 위해 필요한 전자기 명령의 순서와 주소(밀어내기, 당기기 또는 끄기)를 자동으로 계산합니다.
향후 작업과 관련해, 우주에서 지상으로 옮겨가는 것은 ElectroVoxel의 자연스러운 다음 단계이며, 이를 위해서는 지구 중력에 맞서 재구성하기 위한 이 전자석들에 대한 더 세부적인 모델링과 최적화가 필요할 것입니다.
“대규모 복잡한 구조물을 건설할 때에는 그것을 조립하는 사람들의 가용성과 경험, 운송 수단의 크기, 또는 조립 현장의 열악한 환경에 의해 제약받기를 원하지 않습니다. 이러한 원칙은 지구에서도 맞지만, 우주에서 무언가를 만드는 데는 특히 중요합니다. 단순하고 균일한 모듈로 조립되는 구조물을 만들 수 있다면 이러한 문제 중 많은 부분을 제거할 수 있을 것입니다. 따라서 우주에서의 잠재적 이점이 특히 크지만, 역설적으로 미세중력이 만드는 유리한 역학 덕분에 이러한 문제 중 일부는 실제로 더 해결하기 쉽습니다. 우주에서는 아주 작은 힘도 큰 물체를 움직일 수 있기 때문입니다. 이 기술을 우주에서의 실제 단기 문제 해결에 적용함으로써, 지구에서도 향후 활용할 수 있는 기술을 만들어 내기를 기대합니다”
니서는 MIT CSAIL의 레온 청, 야슈위니 마카람, 캘거리 대학교 컴퓨터과학 부교수 리오 스즈키, 매사추세츠 공과대학교 교수 스테파니 뮐러와 함께 이 논문을 썼습니다. 이들은 2022년 국제 로봇공학 및 자동화 학회에서 연구 결과를 발표할 예정입니다. 이 연구는 MIT 우주 연구 이니셔티브의 부분적 지원을 받았습니다.
