하버드대 연구진이 차세대 바퀴벌레 로봇을 개발했다고 ‘사이언스 데일리’가 보도했다.

하버드 이동식 마이크로봇이라는 의미의 ‘HAMR(Harvard's Ambulatory Microrobot)’은 육지를 걷고, 물 표면에서 수영하고, 수중을 걷는 등 작은 봇이 탐험할 수 있는 다양한 환경을 열어놓고 있다. 자연 상태의 바퀴벌레는 수중에서 최대 30분 동안 생존할 수 있지만 로봇 바퀴벌레는 더 오래 견디는 것도 가능하다.

HAMR은 수영을 필요로 할 경우 표면장력 및 표면장력 유도 부력에 의존하는 다기능 발판을 사용하고, 가라앉을 필요가 있을 때는 수면을 깨기 위해 전압을 적용할 수 있다. 이 공정을 ‘전자 습윤(electrowetting)’이라고 하며 이는 인가된 전압 하에서 재료와 물 표면 사이의 접촉각을 감소시키게 된다. 이 접촉각의 변화는 물체가 물 표면을 쉽게 깨뜨릴 수 있도록 만든다.

물 표면을 움직이면 마이크로 로봇이 물에 잠긴 장애물을 피할 수 있고 항력을 줄일 수 있다. 4쌍의 비대칭 플랩과 맞춤형 수영 보행기를 사용해 HAMR은 물 표면을 헤엄쳐 수영한다. 로봇의 수동 플랩과 주변 물 사이의 불안정한 상호 작용을 이용해 로봇은 다이빙 딱정벌레와 비슷한 수영 보행을 생성한다. 이를 통해 로봇은 효과적으로 앞으로 나아가고 회전할 수 있다.

하버드대 존 폴슨 공과대학(SEAS)의 박사후 연구원인 케빈 첸(Kevin Chen)은 "이 연구는 마이크로 로봇이 소규모의 물리학(이 경우에는 표면장력)을 활용해 대형 로봇이 수행하는 기능을 성취할 수 있음을 보여준다"고 말했다. 이 연구는 네이처 커뮤니케이션즈 저널 최신호에 게재됐다.

SEAS 대학원생이자 논문 공동저자인 닐 도시(Neel Doshi)는 "HAMR의 크기는 성능의 핵심"이라며 "크기가 훨씬 더 큰 경우 표면장력을 가진 로봇을 지원하는 것이 어렵고 로봇이 훨씬 작으면 이를 감당할만큼 힘을 생성하기 어려울 수도 있다"고 설명한다. 그는 "HAMR의 무게는 1.65g(대형 종이클립 정도)이며 가라앉지 않고 1.44g의 추가 탑재량을 운반할 수 있다. 또 최대 10Hz의 주파수로 다리를 젓는 것이 가능하며 물속에서 오래 견딜 수 있도록 파릴렌(Parylene)으로 코팅되어 있다”고 덧붙였다.

일단 물 표면 아래로 내려가면 HAMR은 마른 땅에서와 마찬가지로 동일한 보행을 사용해 이동한다. 마른 땅으로 돌아가는 HAMR은 물이 잡아당기는 힘으로 인해 큰 도전에 직면한다. 로봇 무게의 두 배인 수면장력이 로봇을 밀어내고 유도된 토크는 로봇의 뒷다리에 급격한 마찰을 일으킨다. 연구자들은 로봇의 변속 능력을 강화하고 로봇의 앞다리에 부드러운 패드를 설치함으로써 등반 중 탑재량을 늘리고 마찰을 재분배하도록 했다. 마지막으로 약간의 경사를 오르면서 로봇은 물의 손아귀에서 벗어날 수 있었다.

SEAS의 찰스 리버(Charles River) 공학 및 응용과학 교수이자 생물공학 하버드 위즈연구소(Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) 교수인 로버트 우드(Robert Wood)는 "이 로봇은 소형 로봇의 도전과 기회를 잘 보여준다"며 "수축은 물 표면을 걷는 것과 같이 이동성을 증가시킬 수 있는 기회를 제공하지만 우리가 큰 규모에서 당연하게 여기는 힘이 작은 곤충을 압도할 수 있기 때문에 도전과제가 되기도 한다"고 말했다.

앞으로 연구자들은 HAMR의 이동성을 더욱 향상시키는 한편 경사로없이 육지로 돌아갈 수 있도록 도마뱀에서 영감을 얻은 접착제 혹은 충동적인 점프 메커니즘을 활용할 계획이다.