기계식 모터 대신 유연한 코일-자석 구조 채택
중국 저장대 연구팀이 기계식 모터 대신 전자기(electromagnetic) 방식으로 구동되는 유연한 지느러미를 갖춘 수중 아르네 슬롯을 개발했다고 밝혔다. 이 아르네 슬롯은 실제 물고기처럼 빠르게 유영할수 있으며, 몸길이의 약 0.86배 반경 내에서 회전이 가능하다.
IEEE 스펙트럼 보도에 따르면, 중국 저장대 ‘해양감지국가중점실험실(State Key Laboratory of Ocean Sensing)’ 연구팀은 전자기 방식으로 동작하는 유연한 로봇 지느러미를 개발, 로봇 물고기의 기동성과 적응성을 획기적으로 높였다.
연구 책임자인 팡하오 저우(Fanghao Zhou) 교수는 “물고기는 기동성·효율성·적응성이 뛰어나며, 로봇이 이를 모방하는 것은 큰 도전”이라고 설명했다. 전통적인 로봇 지느러미는 모터 기반으로 만들어져 강한 추력을 내지만 크고 강직한 반면, 연성 액추에이터 방식은 유연하지만 실제적인 힘이 부족했다.
연구팀은 두 방식의 강점을 접목했다. 지느러미 구조는 두 개의 코일과 구형 자석으로 구성되어 있으며, 교류 전류가 코일을 통과하면 변동 자기장이 생성되고 지느러미가 좌우로 흔들린다. 정지 시에는 중립 위치로 돌아간다. 수조 시험에서 이 아르네 슬롯은 몸길이의 약 1.66배(초당 405 mm)를 이동했으며, 최소 반경 0.86 배의 회전이 가능했다. 또한 고속 카메라와 정밀 힘 센서를 이용해 지느러미 궤적과 생성된 추력을 측정한 결과, 지느러미 무게가 17 g에 불과하지만 최대 추력은 0.493 N에 달했다.
저 왕(Zhe Wang) 연구원은 “우리 팀은 물속에서 생체 모방 핀의 조종에 성공했을 뿐만 아니라, 전기 입력과 유체역학적 추력 출력을 연결하는 수학적 모델을 구축하는 데 성공했다“고 밝혔다. 또한 “이 수학적 모델의 구축은 특히 소프트 로봇 분야에서 의미가 크다”며 “이는 입력 전류만으로 핀이 물속에서 어떻게 움직일지 예측할 수 있다는 것이며, 소프트 로봇 분야에선 드문 일“이라고 덧붙였다.
유연한 소재를 사용하는 소프트 아르네 슬롯은 그 복잡성 때문에 움직임을 정밀하게 예측하고 제어하는 것이 전통적으로 어려웠다. 연구팀은 이 같은 어려움을 극복하고 정량적인 제어의 기반을 마련했다는 점에서 이번 연구가 수중 아르네 슬롯 및 소프트 아르네 슬롯 기술 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다고 주장했다.
연구팀은 향후 로봇의 에너지 효율을 높이는데 주력할 계획이다. 전자기 코일이 많은 전류를 소비하기 때문에 연속 작동 시간이 짧다는 것이 연구팀의 설명이다. 향후 코일 형상 최적화, 에너지 회수 회로 적용, 스마트 제어 전략을 통해 에너지 손실을 줄이는 방안을 모색할 계획이다. 또한 다지느러미(멀티핀) 협동동작, 운용 시간 연장, 초소형 자동 수중 플랫폼 탑재 등을 추진한다.
이 기술은 향후 수중 탐사, 생태계 모니터링 및 산호초·해양 생물과의 안전한 상호작용을 위한 검사 로봇 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
백승일 기자 robot3@irobotnews.com