세상에서 가장 크고 강한 딱정벌레 중 하나가 섬세한 비행 마이크로봇에 대한 가장 좋은 영감이 될 것 같지는 않습니다.
하지만 비행 중인 생물을 포착하기 위해 슬로우 모션 카메라를 사용하여 국제 팀은 날개를 확장하고 축소할 수 있는 비행 마이크로머신을 설계했습니다 . 이륙하기 전의 로켓과 공중에 떠 있는 후의 날아다니는 곤충과 비슷한 이 로봇은 이륙할 때 날개를 펼친 다음, 쉽게 맴돌고 펄럭여 공중에 머물러 있습니다. 착륙할 때는 날개를 다시 몸 안으로 집어넣습니다.
이 로봇은 수컷의 이마에서 튀어나온 독특한 뿔에서 이름을 따온 코뿔소 딱정벌레에서 영감을 받았습니다. 이 곤충은 최대 6인치까지 자랄 수 있습니다. 비슷한 크기의 Subway 샌드위치를 떠올려 보세요. 몸무게의 최대 100배까지 화물을 실을 수 있어 헤라클레스 딱정벌레라는 별명이 붙었습니다.
그들은 움직이지 않는 근육질의 녀석이 아닙니다. 반짝이는 검은색이나 회색 외골격으로 덮인 이 딱정벌레는 하루에 2마일을 날 수 있습니다 . 하지만 로봇공학자들의 눈길을 사로잡은 것은 정교한 날개 배치 시스템이었습니다.
"새, 박쥐, 그리고 많은 곤충들은 쉬고 있을 때 날개를 몸에 접고 힘을 주어 날 수 있습니다." 하지만 우리는 딱정벌레의 경우 그 과정이 어떻게 작동하는지 알지 못했다고 저자들은 썼습니다.
그것은 단순한 과학적 호기심이 아닙니다. 이 연구는 수색 및 구조 작업이나 환경, 농업 및 군사 모니터링을 위한 펄럭이는 로봇 설계 로 이어질 수 있습니다.
연구팀은 이번 연구 결과를 통해 날개 펄럭이는 로봇, 특히 이륙 중량이 제한된 소형 로봇의 설계를 개선할 수 있으며, "생물학적 대응물과 유사하게 날개를 펼치고 접을 수 있게 될 것"이라고 설명했습니다.
개념에 대한 귀찮음
미니봇을 만드는 데 있어서 자연은 창의적인 영감의 원천 입니다 .
1989년, MIT 인공지능 연구실의 두 명의 용감한 과학자는 우리 지구와 그 너머의 태양계를 탐험하기 위해 여러 개의 작은 다리가 달린 로봇을 구상 하고 제작했습니다.
올해 초로 넘어가면, 그 아이디어가 현실이 되고 있습니다. 한 팀은 자연스러운 대응물에서 관찰된 움직임을 모방하여 기어다니는 미니버그 로봇과 인공 물보라를 개발했습니다 . 이들은 지금까지 가장 작고, 가볍고, 가장 빠른 완전 기능 로봇 중 일부였으며, 액추에이터라고 하는 작은 모터를 사용하여 움직이는 데 도움을 받았습니다.
한편, 벌은 날개가 손상되어도 날아다니는 마이크로봇 에 영감을 주었고 , 파리는 바람을 감지하고 비행 제어를 돕는 작은 가속도계에 영감을 주었습니다. 후자의 연구를 쓴 워싱턴 대학의 소이어 벅민스터 풀러 박사는 당시 버그봇이 왜 합리적인지 설명했습니다 . "첫째, 너무 작아서 사람 주변에서 본질적으로 안전합니다. 곤충 로봇이 당신에게 충돌해도 다치지 않습니다. 둘째, 너무 작아서 전력을 거의 사용하지 않습니다."
그러나 이러한 시스템은 이륙, 비행 및 착륙 시 날개 위치를 제어하기 위해 여전히 전기나 모터가 필요하여 범위와 유용성이 제한됩니다. 새로운 연구는 딱정벌레에서 대안을 찾았습니다. 버그봇의 날개를 늘리고 접는 데 모터가 필요하지 않은 대안입니다.
딱정벌레 주스
코뿔소 딱정벌레는 위험한 영감이었습니다. 두 쌍의 날개가 있고 각각 고유한 역학과 용도가 있는 딱정벌레는 항상 연구하기 어려웠습니다.
저자들은 "딱정벌레는 다양한 곤충 종 중에서 가장 복잡한 메커니즘 중 하나를 가지고 있다"고 썼습니다.
이 중 일부는 날개 쌍 사이의 복잡한 역학 때문입니다. 앞날개는 elytra라고도 하며 단단하고 껍질과 같습니다. 반면에 뒷날개는 섬세하고 막과 같은 구조로, 잠자리의 날개를 생각해 보세요. 오리지미처럼 스스로 접힙니다.
팀은 이렇게 하면 "비행 중이 아닐 때 몸체와 딱지날개 사이에 깔끔하게 보관할 수 있습니다."라고 적었습니다.
껍질과 같은 딱지날개는 쉬고 있을 때는 뒷날개 팀원을 보호하고 비행 중에는 전투기 날개처럼 펼칩니다. 뒷날개는 비행 중에는 펼쳐지고 펄럭이다가 착륙하면 다시 접힙니다. 이전 연구에 따르면 근육, 신축성 있는 조직 또는 기타 요소가 뒷날개를 움직인다고 합니다. 이 연구에서 연구팀은 고속 카메라를 사용하여 딱정벌레가 날아오르는 모습을 기록하면서 논쟁을 종식시켰습니다.
윙맨
딱정벌레의 날개는 두 걸음으로 펼쳐졌습니다.
첫째, 전투기처럼 딱정벌레는 딱딱한 껍질의 딱지날개를 펼칩니다. 스프링과 같은 메커니즘을 통해 뒷날개는 근육 에너지가 아닌 저장된 에너지를 사용하여 약간 늘어납니다. 다시 말해, 딱정벌레는 근육을 굽히지 않습니다. 뒷날개는 자연스럽게 펼쳐집니다.
팀은 "이렇게 하면 이후의 펄럭임 동작에 필요한 여유 공간이 생깁니다."라고 적었습니다.
두 번째 단계는 양쪽 날개 쌍의 동기화된 플랩을 활성화합니다. 뒷날개가 펼쳐지고 비행 위치를 취하여 딱정벌레가 구석구석을 기동할 수 있게 합니다.
이 두 마리는 착륙을 위해 협력합니다. 딱지날개는 뒷날개를 접어서 깔끔하게 쉬는 자세로 밀어 넣습니다. 딱지날개의 딱딱한 껍질이 위에서 그들을 보호합니다.
펄럭이는 비행 로봇
연구팀은 딱정벌레의 날개 시스템을 모방한 펄럭이는 로봇을 설계했습니다.
사이보그 파리처럼 생겼는데, 반투명한 날개 두 개가 황금색 몸통과 둥근 머리에 연결되어 있습니다. 딱정벌레와 달리 버그봇은 쉬고 있을 때 자체로 접히는 접이식 날개 한 쌍만 있어서 길이가 60% 이상 줄어듭니다.
각 날개는 가벼운 탄소와 신축성 있는 멤브레인으로 만들어졌습니다. 유연한 관절과 결합된 버그봇은 펄럭일 때 쉽게 회전합니다. 봇의 "겨드랑이"에 있는 탄력 있는 힘줄은 날개를 단 100밀리초, 즉 눈 깜짝할 새에 뒤로 당길 수 있습니다. 팀은 날개를 펼치기 위해 딱지날개를 기반으로 한 단일 모터를 사용했습니다.
활성화되자 날개가 빠르게 펼쳐져 미니봇이 두 개의 날개 플랩으로 하늘로 날아올랐습니다. 일련의 테스트에서 봇은 성공적으로 이륙하고, 맴돌고, 착륙했습니다. 날개는 자동으로 비행 위치로 펼쳐져 이륙에 필요한 양력을 생성했습니다. 공중에 떠 있는 동안은 약간 흔들렸지만 맴돌고 똑바로 서 있었습니다. 착륙할 때 버그봇은 스스로 다시 접혀서 눈 깜짝할 새에 날개를 접었습니다.
이러한 접이식 날개는 탄력성이라는 추가적인 장점을 가지고 있습니다.
버그봇이 장애물에 부딪혀 돌이킬 수 없이 넘어지고 잠재적으로 추락할 경우, 버그봇은 즉시 날개를 접어 충격으로부터 보호합니다. 근육 에너지나 다른 외부 제어가 필요 없습니다. 이러한 회복력은 예를 들어 환경 재해 이후와 같이 위험한 지형을 탐색할 때 유용할 수 있습니다.
이 연구는 딱정벌레에 초점을 맞추었지만, 무당벌레와 같은 다른 곤충의 생물학적 이점을 관찰하고 활용하는 데도 비슷한 전략을 사용할 수 있습니다.
연구팀은 "이러한 실험은…어수선하고 좁은 공간에서 엄격한 중량 제약을 받는 날개 펄럭이는 마이크로 로봇의 견고한 비행을 위한 새로운 설계 원리를 [보여줍니다]."라고 기록했습니다.
이미지 출처: Hoang-Vu Phan
