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도요타, 곤충 크기 비행 로봇 개발무게 1.8g·고출력 단결정 압전소재·저손실 고효율 플래핑 설계···곤충 수준 출력 효율성
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승인 2021.12.27  09:45:44
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▲일본 도요타중앙연구소(豐田中央硏究所) 연구진이 최근 무선주파수 기술을 이용해 날개를 펄럭이는 곤충 크기의 초소형 공중 로봇을 개발했다. 무게가 1.8g에 불과하다. 이는 기존의 다른 무선주파수 전원을 사용하는 마이크로 크기 로봇 무게의 25분의 1에 불과하다. (사진=도요타 중앙연구소 오자키 다카시 등)

일본 도요타중앙연구소(豐田中央硏究所) 연구진이 최근 무선주파수 기술을 이용해 날개를 펄럭이는 곤충 크기의 비행 로봇을 개발했다고 테크익스플로어가 지난 20일(현지시각) 보도했다.

이 로봇의 무게는 1.8g으로서 지금까지 개발된 다른 무선주파수 구동 비행 로봇 무게의 25분의 1에 불과하다.

이 곤충로봇은 100g당 4900와트(W)라는 놀라운 무게 대비 전력 밀도를 보이는 무선 주파수 전력 수신기를 소형화해 달고 비행한다.

연구팀의 오자키 다카시 연구원은 “작은 드론은 전형적으로 동력원 때문에 매우 제한된 작동 시간을 가지고 있다. 최근 연구의 목적은 이러한 한계를 극복하는 것이었다. 현재 다양한 제품에서 전자파를 이용한 무접촉 전원 공급이 실용화됐지만 소형 비행 로봇에 어디까지 적용할 수 있을지는 미지수였다”고 설명했다.

오자키 연구원과 동료들의 주된 연구 목적은 비접촉 무선 충전 기술을 사용해 곤충 크기의 비행 로봇에 동력을 공급하는 것이었다. 연구원들이 만든 이 로봇은 본질적으로 5GHz 쌍극 안테나를 통해 작동되는 펄럭이는 피에조(압전) 액추에이터로 구성돼 있다.

오자키 연구원은 “우리 로봇의 주요 특징 중 하나는 고출력 단결정 압전 소재와 박수치는 손처럼 마주보는 두 날개를 가진 저손실 레이아웃으로 구현되는 고효율 플래핑(위아래로 펄럭이는) 작동이다. 이 디자인은 살아 있는 곤충과 견줄 만한 무게 대비 출력 효율을 가능케 한다”고 말했다.

미니어처 크기 로봇을 개발 및 제작하려는 엔지니어들이 직면하는 핵심 과제는 전력 손실로 인한 열폭주다. 오자키와 그의 동료들은 이 난제를 극복하기 위해 열 발생 부품이 서로 가까이 있거나 옆에 있지 않도록 로봇의 회로 설계를 최적화했다.

또한 연구진은 시판 중인 비슷한 질량의 리튬 폴리머 배터리보다 훨씬 높은 중량 대비 전력 밀도를 가진 무선주파수 전원 수신기를 사용했다. 이것이 로봇의 효율성과 작동 시간을 엄청나게 향상시켰다.

오자키 연구원은 “우리의 가장 중요한 발견은 무게가 서브그램(g 미만)인 회로가 무선주파를 통해 1W가 넘는 고출력을 먼 거리에서 수신하고 처리할 수 있다는 것을 보여준 것이다. 이는 날아다니는 로봇뿐 아니라 작고 큰 전력이 필요한 다양한 응용물도 배터리 없이도 구현할 수 있다는 것을 시사한다”고 말했다.

연구팀은 설계 효과를 평가하기 위해 일련의 실험을 수행했고, 그 결과 이들은 배터리나 전선없이도 곤충 크기의 로봇을 원활하게 이륙시킬 수 있었다.

따라서 미래에는 이 팀이 개발한 무게 1.8g에 불과한 초소형 로봇과 기술들이 균열된 틈새, 파이프 또는 기타 매우 밀폐된 공간에 들어가는 것을 수반하는 복잡한 임무를 수행하는 데 매우 가치 있게 사용될 수 있을 것이다.

오자키 연구원은 “우리는 성공적으로 이륙을 시연했다. 다음 단계는 이 로봇이 공중에서 자유롭게 맴돌고 움직이게 하기 위해 전력 공급 기술과 자세 제어를 결합하는 것이다. 우리는 이미 유선 전력으로 로봇의 자세를 조절하는 데 성공했기 때문에 무선으로도 기술적으로 가능하다고 생각한다”고 말했다.

이 로봇 개발 내용과 관련 논문은 15일(현지시각)자 네이처 일렉트로닉스에 게재됐다.

이성원  sungwonly09@gmail.com
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