▲미 노스캐롤라이나주립대와 템플대 연구진이 해파리에서 영감을 받은 로봇해파리(위)와 실제 해파리를 헤엄치게 한 결과 로봇이 앞섰다. (사진=노스캐롤라이나주립대 유튜브)

‘공기주입 방식을 활용한 해파리 로봇이 실제 해파리보다 더 빨리 헤엄친다.'

‘뉴아틀라스’는 1일(현지시각) 미 노스캐롤라이나 주립대와 템플대 연구진이 다양한 재료와 공기역학을 사용해 실제 해파리보다 더 높은 유영 효율을 가진 해파리 로봇을 만들 수 있었다고 전했다. 해파리는 해양 동물 가운데 가장 높은 에너지 활용 효율을 가진 생물로 알려져 있기에 이는 주목할 만한 성과로 여겨진다.

과학자들은 매우 효율적으로 움직이는 새로운 첨단 로봇을 개발하고 싶어한다. 이런 가운데 로봇 연구자들이 해파리의 독특한 움직임에 주목하면서 해파리가 인기 연구 모델로 떠올랐다. 미국 대학의 공동연구진이 이 해양 생물에서 영감을 받아 새로운 종류의 소프트 로봇을 선보였다. 이들이 엄청난 속도로 헤엄치는 비결은 폴리머 디스크 층에 있는 공기 통로(air channel)였다.

노스캐롤라이나 주립대와 템플대 과학자들은 최근 새로운 형태의 소프트 로봇을 만들어 발표했는데, 이는 앞서 치타에게서 영감을 받은 빠르게 움직이는 로봇 개발 연구에 기초하고 있다.

저자인 지에 인은 “치타 로봇은 두 개의 액추에이터로 번갈아 공기를 드나들게 함으로써 딱딱한 척추가 즉각적으로 힘을 준 한쪽 발과 다른쪽 발을 번갈아 튀어 오르게 한다. 최신 해파리 로봇은 이 접근법을 개선한 것이다”라고 말했다.

인은 “우리의 이전 연구에서는 치타에게서 영감을 받은 부드러운 로봇을 만드는 데 초점을 맞췄으며, 이 로봇은 매우 빠르지만 여전히 내부 척추가 뻣뻣했다”고 말했다. 그는 “우리는 내부 척추가 없는 부드러운 로봇을 만들고 싶었는데 그럼에도 여전히 이 새로운 소프트 로봇을 더 강력하고 빠르게 움직이도록 하기 위해 두 개의 안정된 상태를 연결했다 끊었다 하는 (앞서의)개념을 활용했다. 그리고 우리가 영감을 받은 동물 중 하나는 해파리였다”고 설명했다.

해파리는 해양환경에서 비할 바 없는 에너지 효율로 헤엄치는 것으로 널리 알려져 있다.

연구팀은 폴리머 디스크(중합체 원반)를 사용함으로써 이를 재현하려고 했다. 이 디스크는 소재를 4개의 서로 다른 방향으로 펼쳐 미리 스트레스를 준 다음, 이를 다른 두 개의 비(非) 스트레스 층과 결합한 것이었다. 이 디스크의 특징 중 하나가 공기채널이다.

해파리 로봇은 이 폴리머 디스크 적층(stack)의 빈 채널에 공기로 채우는 방식에 따라 마치 그릇(bowl)처럼 구부러지는 풀어진 상태(relaxed state)와 이 그릇 모양을 재빨리 돔(dome)으로 빠르게 반전시키는 힘을 준 상태(flexed state) 사이를 오가도록 만들어 준다. 이는 로봇 해파리가 물을 밀어내고 스스로 앞으로 나아가는 추진력의 원인이 된다.

▲미 노스캐롤라이나 주립대와 템플대의 새로운 소프트 해파리 로봇은 실제 해파리의 헤엄치는 움직임을 모방해 만들어졌다. (사진=노스캐롤라이나주립대)

인은 “우리는 채널 층(channel layer)으로 공기를 주입함으로써 로봇을 ‘힘주게’ 만들 수 있고, 사전에 스트레스를 준 층의 상대적 두께를 조절함으로써 그 힘준 방향을 조절할 수 있다”고 말했다.

이 실험에서, 이 소프트 로봇은 초당 평균 53.3mm의 이동 속도를 보여주었지만, 연구의 일부로 사용된 세 종류의 해파리 가운데 어느 것도 초당 30mm 이상의 속도로 이동하지 않았다.

아래의 동영상에서 로봇이 작동하고 있는 모습을 볼 수 있으며, 이 연구결과는 어드밴스트 머티리얼즈 테크놀로지(Advanced Materials Technologies) 저널에 게재됐다.