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지하 굴착로봇 시대가 열리고 있다

동‧식물 모방, 지하생물처럼 빠르고 정확하게 이동해

2021.06.21 09:00 이강봉 객원기자

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육지 표면에서, 또는 하늘과 물속에서 사람이 하기 힘든 일을 수행하고 있는 로봇들을 쉽게 발견할 수 있는 시대가 다가왔다.

최근 들어서는 지하생물처럼 땅속에서 작업이 가능한 로봇이 개발되고 있다. 16일 국제 과학저널 ‘사이언스 로보틱스’에는 땅속을 뚫고 들어가 빠른 속도로 들어가 지하를 굴착할 수 있는 로봇이 개발됐다는 논문을 표지기사로 게재했다.

연구를 수행한 곳은 미국 UC 산타 바바라(UC Santa Barbara)와 조지아공과대학( Georgia Institue of Technology)이다. 논문에서는 “모래 속에 살고 있는 동‧식물로부터 신호를 받아 모래 속을 빠르게 뚫고 들어갈 수 있는 굴착로봇이 개발됐다.”라고 소개하고 있다.

동‧식물을 모방한 굴착로봇이 개발돼 지하 로봇 시대를 예고하고 있다. 지하를 움직일 때 공기 유동화 및 비대칭이 부드러운 굴착 로봇을 만드는 데 어떻게 사용되고 있는지 보여주고 있다. ⓒ UC Santa Babara/Nicholas D. Naclerio

지하에서 빠르고 정교한 움직임 가능해

연구팀은 이 기술이 매우 정밀하고 신속해 침습적인 지하에서 매우 정교한 움직임이 가능하다고 말했다.

또 이 기술을 기반으로 다양한 경우의 새로운 응용 프로그램 개발이 가능하기 때문에 향후 지하굴착로봇 개발을 위한 분기점이 될 수 있을 것으로 보고 있다. 또한 산업계는 물론 우주탐사에 이르기까지 광범위한 분야에서 영향을 미칠 것으로 예상된다.

연구팀은 논문을 통해 육지, 공중, 수중에서의 로봇 개발은 순조롭게 이루어져왔으나 지하의 경우 많은 어려움을 겪어왔다고 말했다.

지하에서 물체가 어떻게 이동하는지 물리학적으로 이해하는데 기본 데이터가 턱없이 부족한 상황에서 지하에서 정교한 움직임을 제어할 수 있는 항법장치가 개발할 수 없었고 결과적으로 지하를 대상으로 한 굴착로봇 개발이 지지부진해 왔다고 설명했다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 자연계 동‧식물의 활동 방식을 모방했다.

지하 생물들을 관찰한 후 물리학에서 파생된 움직임에 대한 가설을 제시하고 테스트를 한 다음 그 결과를 적용해 매우 부드러우면서도 속도가 빠른 굴착로봇(burrowing robot)을 설계했다고 밝혔다.

그리고 지하 리프트 및 드래그 힘을 제어해 이전 접근 방식보다 훨씬 더 빠르게 굴을 파고 실제 모래를 통과하는 등 조종이 가능한 소프트 로봇을 실현했다고 밝혔다. 또한 로봇의 끌어당기는 힘을 기존 로봇보다 수십 배로 강화해 수평‧수직으로 빠른 운동을 전개할 수 있었다.

조지아 공대의 물리학자인 다니엘 골드맨(Daniel Goldman) 교수는 “그러나 자연계는 다양한 동‧식물을 통해 다양한 방식으로 터널링하는 방식을 알려주고 있다.”고 말했다.

다양하게 네트워크를 형성하면서 지하 항법의 수많은 사례를 제공하고 있다는 것. “기계적 이해를 통해 지하에서의 항법 자체를 이해할 수 있었다.”며, “다양한 유기체가 지하 공간 내에서 어떻게 움직이고 있는지 그 원리를 알아내면 새로운 로봇 개발이 가능하다.”고 말했다.

산업계, 우주개발 등에 새로운 시대 열어

연구팀은 지하에 서식하는 동‧식물의 습성을 이용해 다양한 로봇을 선보였다.

새로 개발한 로봇 중에는 포도나무와 같은 모습의 소프트 로봇(soft robot)이 있다. 딱딱한 금속성 로봇이 아닌 유연한 로봇을 말한다.

식물 뿌리에서 아이디어를 얻어 지하에서 수학적으로 예측 가능한 움직임을 가능케 했으며, 탄력성 있는 재질을 사용해 부드러운 움직임을 극대화했다. 또 지하에서의 힘을 제어해 훨씬 더 빠르게 굴을 파고 들어갈 수 있다.

로봇 개발에 문어의 움직임을 활용했다.

문어가 움직일 때 땅을 향해 물을 내뿜으면서 긴 팔을 사용해 일시적으로 느슨해진 모래 속으로 자신을 끌어당기는 방식을 사용하고 있다.

연구팀은 문어가 바다 밑바닥을 신속하게 움직이듯이 문어처럼 공기를 내뿜으면서 모래 속을 빠르게 통과할 수 있는 기술을 시현했다. 공개한 동영상은 로봇이 모래를 사방으로 흩뿌리면서 빠른 속도로 이동하는 모습을 보여주고 있다.

UC 산타 바바라의 엘리엇 호크스(Elliot Hawkes) 연구소 대학원생 니콜라스 나클레리오(Nicholas Naclerio)는 “굴을 파며 살고 있는 일부 동물들은 토양 입자를 유체와 같은 상태로 변화시키면서 토양으로부터의 저항을 극복하고 있다.”고 설명했다.

연구팀은 이 방식을 통해 일반적인 땅속을 빠르게 움직일 수 있는 방안을 연구 중이다. 또한 동물들이 오차 없이 정확하게 가야할 곳으로 움직이는 점을 감안, 로봇에 적용할 수 있는 지하 항법장치를 개발하고 있다.

이번 연구 과정에서 가장 어려웠던 것은 수평굴착 과정이다. 굴착할 때마다 로봇이 표면으로 떠올라 애를 먹었는데 이 역시 모래 생물들의 움직임을 응용해 해결할 수 있었다. 모래를 압박하는 것이 아니라 위로 밀어내면서 속도를 끌어올릴 수 있었다.

논문은 ‘사이언스 로보틱스’ 16일자 표지 논문으로 게재됐으며, 제목은 ‘Controlling subterranean forces enables a fast, steerable, burrowing soft robot’이다.

그동안 로봇 개발은 딱딱한 금속성 몸체를 갖춘 하드 로봇(hard robot)에 치중해왔다. 그러나 사람의 역할을 대신할 수 있는 정교한 로봇들이 필요하지고 있는 가운데 지하로봇 역시 소프트 로봇 개발에 주력하고 있는 중이다.

연구팀은 소프트 로봇 기술이 화성 등에서의 소형 탐사로봇에 적용된다고 말했다. 토양 샘플링, 지하공간을 굴착하는 등의 다양한 과정에서 정교한 기능의 소프트 로봇 개발은 우주탐사에 있어 기본적인 사항이 되고 있다고 설명했다.

실제로 UC 산타 바바라, 조지아 공대 연구팀은 미 항공우주국(NASA)과 함께 달과 화성, 목성의 달인 엔셀라두스와 같은 더 먼 거리에 있는 우주를 탐사하기 위해 프로젝트를 진행 중이다.

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