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

물고기 형태 로봇의 추진 원리 분석

수중 로봇 분야에서 자연에서 볼 수 있는 물고기 형태를 가지는 구조는 대부분의 다른 인공적인 수중 이동체(underwater vehicle)보다 조종이나 가속을 더 잘 수행할 수 있다. 이러한 이유로 물고기 형태의 로봇은 해저 탐사 작업에 적합하다.

그러나 물고기 형태의 로봇이 수행하는 헤엄치기 동작을 지배하는 메커니즘을 완벽하게 이해하는 것은 아직까지 성취하기 어려운 상태로 남아 있어서 이러한 형태의 수중 로봇이 달성할 수 있는 성능을 제한하고 있다.

특히 굽이치는 동작에 의한 추진은 몸통의 변형과 유체 운동 사이의 복잡한 상호 작용을 수반한다. 이처럼 복잡한 동역학을 이용하여 고성능의 로봇을 개발하는 것은 일본 도교(Tokyo)에 위치한 전기통신대학(University of Electro-Communications)의 아이구오 밍(Aiguo Ming)과 동료 연구자들이 수행하는 로봇 물고기에 대한 연구의 주요한 목표이다.

최근에 아이구오 밍과 동료 연구자들은 유체 구조의 상호 작용에 대한 분석이 어떻게 유연한 로봇 물고기의 추진 원리를 포착하는 데에 적용될 수 있는지를 시연하였다.

로봇 물고기에 인가되는 유체 압력과 로봇 물고기의 운동에 의하여 발생된 부하 사이의 상호작용을 기술하는 연동된 방정식을 격자 기법(mesh method) 및 후속하는 알고리즘을 통하여 수치적으로 풀었다. 수치 모사된 동역학은 압전 섬유 복합체(piezoelectric fiber composite)로 추진되는 로봇 물고기에 대하여 실험적으로 측정된 거동 결과와 비교되었다.

첨부된 그림은 로봇 물고기의 지느러미가 가지는 수치모사된 변위와 실험에 의한 변위를 서로 비교한 것이다.

로봇 물고기의 굽이치는 운동에서 동요 진동수(oscillation frequency)를 증가시키면 꼬리지느러미의 변위가 감소되었으며, 추진력은 로봇의 동요 진동수와 직접적인 비례 관계를 가지지 않았다.

서로 다른 동요 진동수에서 로봇 물고기의 추진력과 변위 변동 사이의 경향이 유체 구조의 상호작용 분석(fluid-structure interaction analysis)을 통하여 결정되었으며, 실제 시작품 로봇을 이용하여 실험적으로 검증되었다.

이처럼 유체 구조의 상호작용 분석이 가지는 유효성이 증명되었으며, 개선된 로봇 설계 및 제어를 위하여 로봇 물고기의 추진 특성을 평가하는 데에 유용하였다. 물고기의 추진력에 대한 더 나은 이해는 물고기 형태의 로봇의 성능을 개선하고, 수중 작업을 더 잘 수행하는 유용할 수 있다.

이와 같이 성공적인 분석 결과는 수중 로봇의 성능을 개선하기 위하여 유체 구조의 상호작용 분석을 미래의 다른 응용분야에 적용할 수 있는 길을 마련한 것이다.

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