<그림.KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
초고속 추진력을 가진 문어 로봇
과학자들이 인간이 만든 수중 이동체(underwater vehicle)에서는 결코 본 적이 없는 초고속의 추진력 및 가속도로 물을 획 통과할 수 있는 문어 형태의 로봇을 개발하였다.
대부분의 빠른 수생 동물들은 물속에서 쉽게 이동하는 것을 돕기 위하여 매끈하고 가느다랗다. 그러나 문어나 오징어와 같은 두족류(cephalopod)는 잽싸게 도망가기 위하여 자신의 몸에 물을 채우고 이를 신속하게 방출하여 빠르게 달아난다.
영국의 사우샘프턴 대(University of Southampton), 미국의 매사추세츠 공대(MIT), 연구 및 기술을 위한 싱가포르-매사추세츠 공대 연합(SMART: Singapore-MIT Alliance for Research and Technology) 등에 소속된 과학자들이 이러한 두족류에 영감을 받아 얇고 탄성을 가진 외피 외에는 움직이는 부품이나 에너지 저장 장치 없이 3차원 인쇄기로 만들어진 골격을 가지는 변형 가능한 문어 형태의 로봇을 제작하였다.
30센티미터의 길이를 가지는 이 자체 추진 로봇은 비록 유선형이 아닌 형상에서 출발하였음에도 불구하고, 물을 채워서 부풀어 오르고 다음으로 놀라운 추진력과 가속도를 얻기 위하여 맨 아래 부분에서부터 물을 발사하여 신속하게 오므라든다. 이 로봇이 수축함에 따라 동일한 동작을 수행하는 경직된 로켓과 비교하여 2.6배 이상의 추력을 달성할 수 있었다.
이 로봇은 방안에서 풍선을 부풀어 오르게 한 후에 날리는 것과 같이 동작을 한다. 그러나 로봇 내부에 있는, 3차원 인쇄기로 만들어진 폴리카보네이트(polycarbonate) 골격은 풍선을 단단하게 유지하고, 최종 형상이 유선형으로 되도록 하며, 뒤쪽에 있는 지느러미는 로봇이 똑바로 가도록 유지시킨다.
그리고 이 로봇은 1초에 자기 몸길이의 최대 10배까지 가속할 수 있다. 최근에 수행된 실험실 시험에서 이 로봇은 1초에 시간당 최대 6마일까지 1킬로그램의 부하를 가속하였다. 이것은 추가적으로 350킬로그램의 짐을 실어서 총 무게가 1,000킬로그램이 되는 미니쿠퍼(mini-cooper)가 물속에서 1초 내에 정지 상태에서 시간당 60마일로 가속하는 것에 필적한다. 이러한 성능은 인간이 만든 수중 이동체에서는 전례가 없는 것이다.
"인간이 만든 수중 이동체는 엄청난 양의 추진제를 사용하는 어뢰를 제외하고 가능한 유선형이 되도록 설계된다. 그러나 어떠한 수중 이동체도 상당한 기계적 복잡성에도 불구하고 심지어 초당 자신의 몸길이를 가는 속도 혹은 중력가속도의 1/10정도인 가속도를 갖는 것을 달성하지 못했다"고 사우샘프턴 대의 사우샘프턴 해양 연구소(Southampton Marine and Maritime Institute) 소속 전임강사인 가브리엘 웨이머스(Gabriel Weymouth) 박사가 말했다.
“강체(rigid body)는 항상 주위의 물에 에너지를 잃는다. 그러나 급속하게 수축하는 형태를 가진 로봇은 실제적으로 물을 이용하여 초고속으로 추진하는 것을 돕도록 한다. 결과적으로 53퍼센트의 에너지 효율을 가지게 되며, 이러한 에너지 효율은 빠르게 출발하는 물고기의 상한 추정값보다 더 나은 것”이라고 가브리엘 웨이머스가 설명하였다.
연구자들은 이 로봇을 더 크게 만들면 빠르게 출발할 수 있는 성능이 더 개선될 수 있을 것으로 추산한다. 그리고 이러한 형태의 로봇 구조는 생물학적 영감을 제공한 문어 등이 가진 속도, 조작성, 효율 등에 필적할 수 있는 인공적인 수중 이동체를 개발하는 분야에 적용될 수 있을 것이다.또한, 이 연구가 제공한 이해는 비행기의 날개 설계처럼 항력(drag)이 중요한 공학 분야에서부터 형상이 변하는 생물 시스템에 대한 연구에 이르기까지 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.
이 연구는 매사추세츠 공대(MIT)의 해양 지원 프로그램(Sea Grant program)과 싱가포르-매사추세츠 공대 연합(SMART)에 의하여 연구 자금을 지원받았다.
■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr