지구상 가장 깊은 곳 마리아나 해구에서 로봇 잠수 시연 (동영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-03-04 22:25:26
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- 마리아나 해구에 사는 심해어 Pseudoliparis swirei 를 모델로 개발
- 실리콘으로 만들어진 폴리머 매트릭스 와 분산형 전자장치 배열이 핵심
- 110Mpa(메가 파스칼)고압에서도 자유롭게 수영

마리아나 해구에서 부드러운 로봇 다이빙
부드러운 폴리머로 만든 물고기 모양의 로봇이 깊은 물을 통해 날아간다.


고압하에서 시연 :
처음으로 소프트 로봇이 지구상 가장 깊은 곳 마리아나 해구의 깊은 곳으로 뛰어들었다.
부드러운 폴리머로 만들어진 로봇은 심해 물고기를 모델로 하고 날개 모양의 지느러미를 가지고 앞으로 나아간다. 압력 캡슐이나 다른 보호 덮개가 없지만 1만900m 수심에서 아무 문제없이 잠수할 수 있었다. 연구원들이 전문 잡지 "Nature"에 보고한 내용이다. 

▲ 소프트 로봇은 유전체 탄성체로 만들어진 "근육"을 통해 핀을 움직인다. 여기서 핀은 더 어두운 부분으로 인식된다.

© Li et al. / Nature


심해와 특히 심해 참호는 지구에서 마지막으로 탐험한 지역 중 하나다.
수천 미터 깊이의 물에 있는 엄청난 압력으로 인해 이 어둡고 추운 지역을 더 자세히 탐험하기가 어렵다. 수중 보트와 수중 로봇은 두꺼운 강철 벽과 압력 균등화 기술로 보호해야 한다. 반면에 자연은 그러한 보호 장갑 없이도 극한의 조건에 적응했다. 마리아나 해구의 깊이에도 미생물, 게 및 기타 해양 생물이 있다.

심해 물고기를 모델로

이 심해 거주자를 모델로 한 로봇이 이제 마리아나 해구에서 첫선을 보였다.
중국 저장 대학의 Guorui Li와 함께 작업하는 연구자들은 처음으로 1만m 이상의 수심에서 수압을 견딜 수 있는 소프트 로봇을 설계했다. 금속 갑옷. 물고기 모양의 20cm 길이 로봇의 모델은 마리아나 해구에 사는 심해어 Pseudoliparis swirei였다.

이 올챙이 모양의 최대 20cm 길이의 심해어는 8100m 깊이에서 관찰됐으며 세계에서 가장 깊은 곳에 서식하는 어종이다. "이 물고기의 청사진에는 부분적으로 열린 두개골 뼈와 날개 모양의 가슴지느러미가 포함된다. 우리는 심해 소프트 로봇의 기계 설계를 기반으로 했다"고 연구원들은 설명했다.

엘라스토머로 만든 근육이 있는 지느러미

물고기와 마찬가지로 부드러운 로봇에는 날개 모양의 지느러미가 두 개 있으며 위아래로 움직여 물을 통과한다. 지느러미는 부드러운 플라스틱인 유전체 탄성 중합체로 만들어진 근육에 의해 구동된다. 여기에는 전기 전압의 변화로 팽창하거나 수축하는 유연한 전극이 통합돼 있다. 날개 핀의 앞쪽 가장자리는 다소 단단한 폴리머로 뒷부분은 얇은 실리콘 필름으로 만들어져 있다.

소프트 로봇은 두 가지 설계 기능을 통해 높은 수압에 대한 저항력을 얻는다.
하나는 실리콘으로 만들어진 폴리머 매트릭스는 심해 생물의 조직과 유사하게 수압에 적응할 수 있을 정도로 다공성이고 부드럽다. 연구진은 고압에서 수축하는 능력의 일부 만을 잃는 방식으로 "근육"의 탄성 중합체를 선택했다.

▲ 3,224 미터 깊이에서 준비 테스트 다이빙을 하는 소프트 로봇. 그는 지느러미의 비트를 통해 물고기처럼 헤엄친다.

© Li et al. / Nature


분산형 전자 장치

두 번째 중요한 조정은 전자 장치의 배열이다.
Li와 그의 팀은 "전자 부품이 단일 회로에 단단히 포장되면 단단한 접촉 표면이 고압으로 손상된다"고 설명한다. “우리는 분산된 설계를 사용해 이러한 전단 응력을 제거했다. 여기에서 구성 요소는 여러 개의 작은 보드로 나뉘며 케이블로만 연결된다.”

소프트 로봇은 변압기와 결합된 리튬 이온 배터리에서 에너지를 얻는다.
또한 폴리머에 주조된 유연한 케이블을 통해 나머지 구성 요소에 연결된다.
자율적인 전원 공급과 통합 제어 덕분에 로봇은 물을 통과할 수 있다.
“이 자체 추진 로봇은 견고한 장갑차를 불필요하게 만든다”고 연구원들은 말했다.

마리아나 해구에서 다이빙 테스트

소프트 로봇은 Mariana Trench를 포함한 여러 테스트에서 실용적인 적합성을 입증했다.
이를 위해 고전적인 잠수정 차량은 처음에 그를 심해 해구의 바닥 바로 위인 10,900m 깊이로 데려왔다.
거기에서 소프트 봇이 활성화되고 날개 지느러미로 때리기 시작했다. 엄청난 압력과 비교적 부드러운 핀에도 불구하고 로봇은 손상이나 오작동 없이 45분 동안 핀 플랩을 유지했다.
남중국해 3,200 미터 깊이에서 진행된 또 다른 수영 테스트에서 연구원들은 로봇이 더 먼 거리를 수영하도록 하고 속도를 결정했다.
초당 5cm가 조금 넘는 속도로 정확히 빠르지는 않다. 그러나 과학자들은 소프트 로봇의 수영 성능과 기동성을 더욱 최적화할 수 있을 것이라고 확신한다. 


"미래 세대의 다이빙 차량을위한 기초“

“이 소프트 로봇은 110Mpa(메가 파스칼)의 정수압에서도 자유롭게 수영할 수 있다”고 Li와 그의 팀은 말한다. "이는 극한 조건에서 부드럽고 가벼운 장치를 사용할 수있는 잠재력을 강조 한다.“

첨부된 논평에서 싱가포르 국립대학교의 Cecilia Laschi와 링컨 대학교의 Marcello Calisti도 소프트 로봇의 잠재력을 확인했다.
"Li와 동료들의 연구는 심해 탐사를 위한 탄력적이고 신뢰할 수 있는 차량의 미래 세대를 위한 토대를 마련했다"고 그들은 말했다. 이후에 이러한 소프트 로봇은 해저를 독립적으로 탐색 및 모니터링하고, 샘플을 수집하고, 바다를 정화하는 데 도움을 줄 수 있다.
Laschi와 Calisti는 "원칙적으로 그들은 과학자들이 매핑되지 않은 광대한 해양 깊이를 탐험하는 데 도움을 줄 수 있다"고 말했다.

(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-020-03153-z)
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03153-z
출처 : Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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