<사진. KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

주어진 동력을 활용하여 가장 빠르게 움직이는 문어 모방 수중 로봇

싱가포르의 과학자들이 매우 효율적인 방식으로 1초 내에 자기 몸길이의 10배를 물속에서 빠르게 추진할 수 있는 문어에서 영감을 받은 새로운 로봇을 개발하였다.

수중 이동체(underwater vehicle)에서 이처럼 초고속 추진 및 놀라운 조종성(maneuverability)을 시연한 것은 전례가 없는 최초의 것이며, 연구 및 기술을 위한 싱가포르-매사추세츠 공대 연합(SMART: Singapore-MIT Alliance for Research and Technology) 소속의 연구자 및 공학자들이 수행한 연구 결과이다. 이 연구의 제1저자인 가브리엘 웨이마우스(Gabriel D. Weymouth) 박사는 연구 및 기술을 위한 싱가포르-매사추세츠 공대 연합(SMART)에서 연구 과학자로 있었으며, 현재는 영국 사우샘프턴 대(University of Southampton) 소속이다.

이 획기적인 연구는 2015년 2월에 생체 모방 관련 학술지(학술지명: Bioinspiration & Biomemetics)와 영국의 권위 있는 순수과학 학술지인 네이처(Nature)에서 발표되었으며, 문어?오징어 등과 같은 두족류 동물이 가지는 제트 추진의 기초를 형성하는 형상 변경 물리학이 수중 이동체에 여분의 추력을 제공할 수 있음을 실증하였다.

문어와 같은 두족류는 위험에서 벗어나기 위하여 자신의 외투강(mantle cavity)을 물로 채워 부풀려서 비유선형 물체(bluff-body) 형상으로 만든 후에 잽싸게 도망가기 위하여 물을 신속하게 배출한다. 연구자들은 이러한 두족류의 놀라운 속도에 영감을 받아 2013년 11월에 문어 모방 로봇을 제작하기 시작하였다.

최종 결과는 이동하는 부품을 가지지 않으며, 얇은 탄성 외막 이외에는 다른 에너지 저장 장치를 가지지 않는 3차원 인쇄기로 만들어진 유선형의 골격이었다. 이 문어 모방 로봇은 풍선을 불고 나서 놓으면 방안으로 날라 가는 것과 같은 원리로 동작한다.

길이가 27센티미터인 문어 모방 로봇은 얇은 탄성 외막 안을 물로 채워서 부풀어 오르게 하고, 추진력을 제공하기 위하여 베이스(base)에 있는 구멍을 통하여 물을 발사하여 신속하게 오므라들게 한다. 이 로봇의 내부 골격은 최종 형상을 유선형으로 유지하도록 하며, 꼬리에 있는 지느러미는 자세 안정화를 돕는다.

이 문어 모방 로봇은 수축하면서 동일한 동작을 수행하는 강체 로켓의 추력보다 2.6배 이상의 추력을 난류(turbulence: 유체의 불규칙한 흐름 또는 그러한 상태)를 최소화하면서 달성할 수 있다. 난류 발생을 최소화하는 것은 연구 및 조사용 수중 이동체에서 요구되는 중요한 특성이다.

"물고기가 빠르게 헤엄치며 도망갈 때, 자신의 몸통을 구부리면서 물속에서 신속하게 움직인다. 이 과정에서 주위의 물에 일부 에너지를 잃고 약 30퍼센트의 에너지를 회수한다. 반면에 문어는 초고속 탈출을 위한 동력을 공급하기 위하여 좀 더 효과적으로 에너지 회수 메커니즘을 이용하며, 초기에 가용한 에너지의 50퍼센트 이상을 회수할 수 있다. 따라서 문어 모방 로봇을 매우 높은 에너지 효율성을 가질 수 있다”고 싱가포르-매사추세츠 공대 연합(SMART) 소속의 환경 감지 및 모델링 센터(CENSAM: Centre of Environmental Sensing and Modeling)에서 수석 연구자인 마이클 트라안타파일로우(Michael Triantafyllou) 교수가 말했다.

"유체 역학에 대한 기본적인 이해에 기초한 우리의 연구는 대양저 산맥(mid-ocean ridges)에서 급작스러운 온도 상승과 같은 위험한 상황을 신속하게 모면하기 위하여 빠르게 이동할 수 있는 신속한 조작성을 요구하는 미래의 로봇 개발을 위한 토대를 마련할 것이다. 예를 들어 이러한 문어 모방 로봇은 신속한 관찰을 위하여 돌고래를 따라가거나 대양저 산맥에서 열 배출구(thermal vent)를 안전하게 조사할 수 있을 것”이라고 미국 매사추세츠 공대에서 해양 공학 센터(Center for Ocean Engineering)의 센터장이며, 기계 및 해양공학과(Mechanical and Ocean Engineering) 교수이며, 해양 기술과(Marine Technology) 교수이기도 한 마이클 트라안타파일로우가 설명하였다.

“많은 연료를 필요로 하는 어뢰를 제외하고 현재 어떠한 자율 수중 이동체(AUV: autonomous underwater vehicle)도 이처럼 초고속 성능을 달성할 수 없다. 향후 연구 및 개발을 통하여 미래의 자율 수중 이동체(AUV) 및 다른 해양 이동체는 이러한 메커니즘을 채택하여 많은 에너지를 사용할 필요 없이 위험을 벗어나거나 수중에서 무언가를 몰래 신속하게 추적하게 될 것”이라고 환경 감지 및 모델링 센터(CENSAM)의 연구 공학자인 비그네쉬 수브라마니암(Vignesh Subramaniam)이 덧붙였다.

앞으로 연구 및 기술을 위한 싱가포르-매사추세츠 공대 연합(SMART)은 수중 제트 추진의 물리학을 이용하는 연구를 지속할 것이며, 이러한 기술을 수중 이동체에 적용할 계획이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』  http://mirian.kisti.re.kr