생체모방학(Biomimetics) - 서울대 소금쟁이(water strider) 로봇 개발^^

[차원용]

생체모방학(Biomimetics) - 서울대 소금쟁이(water strider) 로봇 개발^^

생체모방학(Biomimetics) 또는 생체의생학(Biomimicry)! 공간 자연의 시스템을 관찰하면 생물을 이해하고 모방할 수 있는 기술이나 도구를 개발할 수 있는 새로운 영감을 얻을 수 있습니다. 이 자연의 시스템을 자연 지능(Natural_Intelligence, NI)이라 하며, 이들 동물/식물/어류/곤충/미생물/박테리아/바이러스들의 생체 시스템이나 지능을 모방하는 학문을 생체모방학 또는 생체의생학이라 합니다. 생체모방학은 생체의 구조와 기능을 그대로 모방하여 새로운 생체물질(Biomaterial)을 만들 수 있게 해주고, 새로운 에너지나 자원을 수확하게 해주며, 새로운 지능 시스템을 설계하여 인간에게 필요한 도구나 시스템을 개발할 수 있으며, 미래의 생물체 무기를 디자인할 수 있게 해줍니다. 또한 인간의 구조와 기능으로 융합시켜 인간의 지능과 능력을 향상시키는 데 많은 도움을 줄 수 있습니다. 이와 같은 자연의 지능을 발견하고 응용하는 것을 ‘DisigNature’라 부릅니다.

소금쟁이 로봇 개발!! 물 위를 걸어 다니는 반-수중(semi-aquatic) 곤충들(arthropods), 즉 소금쟁이들(water_striders)은 구부러진(curved) 가늘고 긴 다리로 점프를 하며 물 위를 이동(locomotion)합니다. 소금쟁이가 물에 빠지지 않고 물 위를 다니는 유체역학(hydrodynamics) 원리에 대해 생물학자들은 물론이고 로봇 공학자들도 관심을 가져왔습니다.

서울대 기계항공공학부 조규진 교수와 김호영 교수, 폴란드 출신의 서울대 생명과학부 피오트르 야브원스키(Piotr G. Jablonski) 교수, 미국 하버드대 위스(Wyss) 생체영감연구소 및 응용과학부 로버트 우드(Robert J. Wood) 교수 등 공동연구팀은 소금쟁이가 물 위를 박차고 오르는 유체역학의 원리인 ‘수상 도약(Jumping_on_water)’의 원리를 밝히고, 여기에서 얻은 바이오 영감의 순간 메커니즘(a bio-inspired impulsive mechanism)을 모방한 68㎎의 초경량 로봇을 개발해, 2015년 7월 31일자의 세계적인 과학저널 ‘사이언스(Science)’에 논문을 발표했습니다. .

소금쟁이가 물에 가라앉지 않는 것은 다리에 있는 미세한 나노 털과 물의 표면장력(surface_tension) 때문입니다. 같은 부피에서는 표면을 작게 만들려는 표면장력과 소금쟁이 다리 털 사이에 형성된 미세한 공기방울이 서로 밀쳐내면서 소금쟁이가 수면을 박차고 위로 뛰어오르는 것입니다. 소금쟁이는 물 위를 뛰어오를 때 다리를 오므리면서 솟구치는 것이 특징입니다. 이 동작은 몸이 물을 누르는 힘이 물의 표면 장력보다 작도록 해 소금쟁이가 물에 빠지지 않도록 해줍니다. 마치 살얼음 위를 걸을 때 얼음이 깨지지 않도록 발꿈치를 들고 살금살금 걷는 것과 같은 동작입니다. 다리를 수직으로 단순하게 밀어내는 것이 아니라 회전시키면서 물과의 접촉 시간을 최대화한다는 사실을 밝혀낸 것입니다. 

연구팀은 이런 원리를 응용해 무게 68㎎에 실제 소금쟁이의 1.3배 크기로 다리 4개 달린 초경량 로봇을 만들었습니다. 로봇 다리는 물 위에 잘 뜨도록 원통형으로 만들었고, 로봇의 근육 역할을 하는 소형 구동장치를 달아 작동할 수 있게 했습니다. 로봇이 작으면 작을수록 다양한 환경에서 활용이 가능합니다. 연구팀이 만든 로봇도 소금쟁이처럼 다리를 오므리면서 14센티미터까지 솟아오르는 데 성공했습니다.

이번에 개발한 로봇은 실제 소금쟁이가 움직이는 모습과 가장 유사한 방식으로 물 위를 뛸 수 있도록 세계 최초로 구현한 것입니다. 이는 향후 재해나 오염지역에서 다양한 탐색 임무를 수행할 것으로 보이고, 2002년 개봉된 스티븐 스필버그(Steven Speilberg) 감독의 마이너리티 리포트(Minority_Report, 2002)에 등장하는 인간의 열 감지기 로봇인 스파이더 로봇(Spider Robot)이 현실로 등장하고 있음을 시사하는 것입니다.

* Science Daily_Robotic insect mimics Nature's extreme moves(30 Jul 2015)

http://www.sciencedaily.com/releases/2015/07/150730162446.htm

* Koh et al., "Jumping on water: Surface tension–dominated jumping of water striders and robotic insects", Science, Vol. 349, no. 6247, pp. 517-521, 31 July 2015.

http://www.sciencemag.org/content/349/6247/517

* KBS_수면 위를 뛰는 소금쟁이 로봇 개발 성공(01 Aug 2015)

http://news.kbs.co.kr/news/view.do?ncd=3122801

* 서울신문_소금쟁이처럼 물 위를 뛰는 로봇 세계 첫 개발(31 Jul 2015)

http://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150731025016