비즈니스 기회
딱정벌레가 경량 비행로봇에 영감을 주었습니다
세계에서 가장 크고 강한 딱정벌레 중 하나는 섬세하게 날아다니는 마이크로봇에게 최고의 영감을 줄 수 있을까요?
한 국제 팀은 슬로우 모션 카메라를 사용하여 비행 중인 동물을 포착하여 분석한 결과를 활용하여 날개를 비슷하게 펴고 접을 수 있는 비행 마이크로 머신을 설계했습니다. 이륙하기 전의 로켓과 공중에 떠 있는 곤충을 닮은 이 로봇은 이륙을 위해 날개를 펼친 다음 쉽게 호버링하고 펄럭여 높이 떠 있습니다. 땅에 착륙하면 날개를 몸 안으로 다시 집어넣습니다.
이 로봇은 수컷의 이마에서 튀어나온 독특한 뿔의 이름을 딴 코뿔소 딱정벌레에서 영감을 받았습니다. 이 동물은 최대 6인치까지 자랄 수 있으며(비슷한 크기의 서브웨이 샌드위치를 상상할 수 있음) 자기 몸무게의 최대 100배에 달하는 화물을 운반할 수 있어 헤라클레스 딱정벌레라는 별명을 얻었습니다.
반짝이는 검은색 또는 회색 외골격으로 덮인 이 딱정벌레는 하루에 2마일을 날 수 있습니다. 그러나 로봇 공학자들의 눈을 사로잡은 것은 정교한 날개 전개 시스템이었습니다.
단순한 과학적 호기심이 아닙니다. 이 연구는 수색 및 구조 작업 또는 환경, 농업 및 군사 모니터링을 위한 로봇 설계의 혁신으로 이어질 수 있습니다.
연구팀은 “이번 발견으로 날개를 펄럭이는 로봇, 특히 이륙 중량이 제한된 소형 로봇의 설계를 개선할 수 있을 것으로 보이며, 생물학적 로봇과 유사하게 날개를 펼치고 접을 수 있게 됐습니다"라고 설명했습니다.
미니 봇을 만들 때 대자연은 창의적인 영감의 모체입니다.
1989년, MIT 인공 지능 연구소의 용감한 과학자 한 쌍은 지구와 그 너머의 태양계를 탐험하기 위해 다리가 여러 개인 작은 로봇을 상상하고 만들었습니다.
올해 초로 빠르게 넘어가 이 아이디어가 현실이 되고 있습니다. 한 팀은 기어다니는 미니버그(MiniBug) 로봇과 인공 물기둥을 개발하여 자연에서 관찰된 움직임을 모방했습니다. 이들은 현재까지 가장 작고 가벼우며 가장 빠른 완전한 기능을 갖춘 로봇 중 일부였으며 액추에이터라고 하는 작은 모터에 의존하여 움직임을 도왔습니다.
한편, 꿀벌은 날개가 손상되어도 하늘을 나는 마이크로봇에 영감을 주었고, 파리는 바람을 감지하고 비행 제어를 돕는 작은 가속도계에 영감을 주었습니다. 후자의 연구의 저자인 워싱턴 대학의 소여 버크민스터 풀러(Sawyer Buckminster Fuller) 박사는 당시 버그봇이 왜 의미가 있는지 설명했습니다.
"첫째, 너무 작아서 사람들 주변에서 본질적으로 안전합니다. 곤충 로봇이 충돌하더라도 부상을 입지 않습니다. 다른 하나는 너무 작아서 전력을 거의 사용하지 않는다는 것입니다."
그러나 이러한 시스템은 이륙, 비행 및 착륙 시 날개 위치를 제어하기 위해 여전히 전기 또는 모터가 필요하므로 범위와 유용성이 제한됩니다. 새로운 연구는 버그봇의 날개를 늘리고 집어넣는 데 모터가 필요하지 않은 대안을 찾기 위해 딱정벌레를 찾았습니다.
코뿔소 딱정벌레는 위험한 영감이었습니다. 두 쌍의 날개를 가지고 있고 각각 고유한 메커니즘과 용도를 가지고 있는 이 딱정벌레는 항상 연구하기가 어려웠습니다.
"딱정벌레는 다양한 곤충 종 중에서 가장 복잡한 메커니즘 중 하나를 가지고 있습니다"라고 저자들은 썼습니다.
이것의 일부는 한 쌍의 날개 사이의 복잡한 역학 때문입니다. 딱지날개라고도 하는 앞날개는 단단하고 껍질과 같습니다. 이와 대조적으로 뒷날개는 잠자리의 날개를 연상시키는 섬세한 막과 같은 구조로, 종이접기처럼 접혀 있습니다.
이것은 비행 중이 아닐 때 몸과 딱지날개 사이에 깔끔하게 보관할 수 있게 해줍니다.
껍질처럼 생긴 딱지날개는 쉬고 있는 뒷날개 아군을 보호하고 비행 중에는 전투기 날개처럼 퍼집니다. 뒷날개는 비행 중에 펴지고 펄럭이다가 착륙할 때 다시 접힙니다. 이전 연구에서는 근육, 신축성 있는 조직 또는 기타 요소가 뒷날개를 구동한다고 제안했습니다. 여기서 연구팀은 고속 카메라를 사용하여 딱정벌레가 날아갈 때를 녹화함으로써 논쟁을 잠재웠습니다.
딱정벌레의 날개는 두 단계로 펼쳐집니다.
첫째, 전투기처럼 딱정벌레는 딱딱한 딱지날개를 펼칩니다. 스프링과 같은 메커니즘을 통해 뒷날개는 근육 에너지가 아닌 저장된 에너지를 사용하여 약간 늘어납니다. 즉, 딱정벌레는 근육을 구부리지 않고 뒷날개가 자연스럽게 펼쳐집니다.
"이것은 후속 펄럭임 동작에 필요한 여유 공간을 허용합니다"라고 팀은 썼습니다.
두 번째 단계는 양쪽 날개 쌍의 동기화된 플랩을 활성화합니다. 뒷날개가 펼쳐지고 비행 위치를 취하여 딱정벌레가 구석구석을 기동할 수 있습니다.
두 날개는 착륙을 위해 협력하기도 합니다. 딱지날개는 뒷날개를 밀어 접히고 깔끔하게 안착 위치에 놓이는데, 딱지날개의 단단한 껍질이 뒷날개를 위에서 보호합니다.
연구팀은 딱정벌레의 날개 시스템을 모방한 날갯짓 로봇을 설계했습니다.
그것은 사이보그 파리처럼 보이며, 황금색 몸체와 둥근 머리에 연결된 두 개의 반투명 날개를 가지고 있습니다. 딱정벌레와 달리, 버그봇은 한 쌍의 접을 수 있는 날개를 가지고 있으며, 이 날개는 쉬고 있을 때 스스로 접혀서 길이가 60퍼센트 이상 줄어듭니다.
각 날개는 가벼운 탄소와 신축성 있는 멤브레인으로 만들어졌습니다. 유연한 관절과 결합된 버그봇은 펄럭일 때 쉽게 회전합니다. 봇의 "겨드랑이"에 있는 탄력 있는 힘줄은 단 100밀리초 만에, 즉 눈 깜짝할 사이에 날개를 뒤로 당길 수 있습니다. 팀은 딱지날개를 기반으로 하는 단일 모터를 사용하여 배포했습니다.
일단 활성화되면, 날개가 빠르게 펼쳐지며 미니봇은 두 개의 날개를 펴고 하늘로 날아오릅니다. 일련의 테스트에서 봇은 성공적으로 이륙, 호버링 및 착륙했습니다. 날개는 자동으로 비행 위치로 펼쳐져 이륙할 수 있는 충분한 양력을 생성했습니다. 공중에 떠 있는 동안에는 약간의 흔들림에도 불구하고 공중에 떠 있었고 똑바로 서 있었습니다. 착륙하자마자 버그봇은 다시 몸을 접어 눈 깜짝할 사이에 날개를 접었다.
이 접을 수 있는 날개에는 탄력성이라는 추가 특전이 있습니다.
버그봇이 장애물에 부딪혀 돌이킬 수 없게 굴러 추락할 가능성이 있는 경우, 근육 에너지나 기타 외부 제어 없이 날개를 접어 충격으로부터 보호합니다. 이러한 복원력은 예를 들어 환경 재해 후 위험한 지형을 탐색할 때 유용할 수 있습니다.
이 연구는 코뿔소 딱정벌레에 초점을 맞추었지만 무당벌레와 같은 다른 곤충의 생물학적 특성을 관찰하고 활용하기 위해 유사한 전략을 사용할 수 있습니다.
"이 실험들은... 어수선하고 제한된 공간에서 엄격한 무게 제약을 가진 날개 마이크로 로봇의 견고한 비행을 위한 새로운 설계 원칙을 시연합니다." 라고 팀은 썼습니다.
이미지 크레디트: Hoang-Vu Phan
이상의 기사는 2024년 8월 1일 SingularityHub에 게재된 “A Massively Strong Beetle Just Inspired a Lightweight Flying Robot”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : A Massively Strong Beetle Just Inspired a Lightweight Flying Robot (singularityhub.com)