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곤충로봇 장난감으로 대학생 물리교육 과정 개발美 포모나대, “시각화하기 어려운 입자 행동 탐구에 이상적인 모델 만들어”
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승인 2022.11.17  09:50:37
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▲곤충로봇 장난감이 각 가정에서 온라인 수업을 받는 대학생들에게 충분히 물리학 연구 모델링 스킬을 쌓게 해주는 것으로 드러났다. (사진=포모나대)

코로나19 팬데믹(세계적 대유행) 기간 동안 갑작스레 이뤄진 원격 및 하이브리드(온-오프) 학습으로의 전환은 엄청난 도전으로 간주됐지만 이후 창의적 온라인 연구실 수업 개발에 대한 학문적 및 상업적 관심이 급증했다.

이런 가운데 피스닷오알지는 캘리포니아에 있는 포모나 대학 연구원들이 '헥스버그 나노(Hexbug Nanos)'로 불리는 작은 벌레로봇을 사용해 학생들이 집에서 과학 연구에 참여할 수 있는 온라인 학부 물리학 실험 수업 과정을 개발했다고 지난달 21일 보도했다. 이 내용은 미국 물리학 저널(American Journal of Physics)에 게재됐다.

헥스버그 나노는 밝은색 딱정벌레처럼 생겼고 12개의 유연한 다리가 반 임의로(semi-random) 빠르게 움직인다. 이 벌레로봇 집단은 학생들이 시각화하기 어려울 수 있는 입자 행동을 탐구하는 데 이상적인 모델로 만든다. 실험실 과정을 위해, 학생들은 그들에게 우편으로 보내진 헥스버그를 스마트폰, 그리고 흔한 생활용품들과 함께 사용했다.

공동 저자인 재니스 허징스는 “우리는 팬데믹에 영감을 받아 고급 장비의 사용을 줄이고 간단한 가정용 실험에 의존함으로써 학생들이 실험 장치의 설계, 구현 및 문제 해결과 같은 실험실 학습 목표를 보다 효과적으로 달성할 수 있다는 것을 발견했다”고 말했다.

학생들은 먼저 기체의 압력, 부피, 온도가 어떻게 연관돼 있는지를 설명하는 이상적인 기체 법칙을 조사하기 위한 짧은 실험을 완료했다.

이들은 판지와 대나무 꼬챙이로 만든 움직일 수 있는 벽으로 나눠진 직사각형 판지 상자를 사용했는데, 그 판지 상자는 상자의 길이를 따라 미끄러졌다.

움직이는 벽의 양쪽에 다양한 수의 헥스버그를 배치해 서로 다른 압력의 두 가스를 모델링했다. 학생들은 움직이는 벽에 충돌하는 가스 분자를 기록하기 위해 스마트폰을 사용했다. 비디오 추적 소프트웨어는 벽이 두 챔버의 압력이 같아질 때까지 이동하는 동안 시간의 함수로서의 벽 위치를 얻기 위해 사용됐다.

그런 다음 학생들은 스스로 통계 역학 및 전기 전도 개념을 조사하기 위한 헥스버그를 사용한 실험을 설계하면서 한 학기 동안 이어지는 연구 프로젝트를 제안했다.

한 프로젝트는 금속에서 전자의 움직임을 설명하기 위해 고전 물리학을 사용하는 드루드 모델(Drude model)에 초점을 맞췄다.

가정에서의 실험수업 설정에는 금속 결함 모델링에 사용되는 고정 위치의 2인치 판지 링이 있는 긴 직사각형 판지 상자가 포함돼 있었다. 중력은 상자의 한쪽 끝을 다른 쪽 끝에 대해 들어 올림으로써 가해졌다.

헥스버그 ‘전자들’은 상자 상단 근처에서 방출되며, 중력장으로 인해 상자 아래로 점차 ‘전도(conducted)’되면서 결함으로부터 무작위로 흩어진다.

허징스는 “헥스버그 실험은 드루드 모델과 일치하는 와이어에서 뚜렷하게 보이는 거시적인 규모의 캐리어(전하를 옮기는 물질) 운반 모델을 제공한다”고 말했다.

유사한 헥스버그 실험은 온라인 강의나 직접 강의 시 통계 역학, 물리 화학, 생물 물리학 또는 전자기학 입문 시연에 유용할 수 있다.

이성원  robot3@irobotnews.com
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