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- 비행 및 수영을 위한 접이식 프로펠러
- 레모라(Remora) 물고기에서 복사한 접착 기구
- 거칠거나 곡면 또는 움직이는 표면에서도 확고한 고정
- 환경 보호, 해양 생물학 또는 매핑에 사용

물과 공기를 가로질러 날아다니는 드론
특수 프로펠러와 생물체에서 영감을 받은 접착판으로 로봇을 수륙 양용으로 만들 수 있다.

물 속을 히치하이킹:
연구원들이 번개 같은 속도로 물과 공기 사이를 빠르고 매끄럽게 전환할 수 있는 드론을 개발했다. 이 드론은 다이빙, 수중 촬영, 공중에서 부상한 후 촬영을 계속할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지다. 핵심은 특수 흡입 컵을 사용해 드론이 수면 위와 아래의 거칠거나 미끄러운 표면에 스스로 부착할 수 있다. 고래나 물고기에 올라 탈 수도 있다. 

▲ 이 드론은 날고, 잠수하고, 물과 공기 사이를 멈추지 않고 전환할 수 있다.© Beihang University/ Science Robotics

드론은 이미 많은 분야에서 중요한 조력자이다. 응용 분야는 농업, 지도 작성 및 동물 관찰에서 배달 비행 및 유지 보수 작업에 이르기까지 다양하다. 드론은 이미 화성에서 활동하고 있다. 물이나 지하에서 사용하는 로봇도 있다.

비행 및 수영을 위한 접이식 프로펠러

베이징에 있는 Beihang University의 레이 리(Lei Li)가 이끄는 연구원들은 공기와 물 사이를 원활하게 전환할 수 있고 에너지를 절약하기 위해 "히치하이크"를 하는 드론을 개발했다. 이것은 두 가지 특별한 기술적 특징에 의해 가능하다.

첫 번째는 쿼드로콥터의 로터에 관한 것이다.
로터는 물속에서 스스로 접히는 방식으로 조정되어 물의 저항을 줄인다. 이 전환 동안 프로펠러는 계속 회전한다. 수중에서 속도가 느려진다. 이 끊김 없는 전환을 통해 드론은 멈추지 않고 공중 비행과 수중 이동 사이를 전환할 수 있다. 과학자들은 "최대 전력에서 로봇은 물에서 공기로의 전환을 완료하는 데 0.35초만 필요하다"라고 보고했다. 드론은 또한 여러 번 연속으로 빠르게 다이빙하고 물에서 다시 이륙할 수 있다. 테스트에서 장치는 단 20초 만에 이러한 변경 7개를 완료했다.

레모라(Remora) 물고기에서 복사한 접착 기구

"듀얼" 드론의 두 번째 특별한 기능은 움직이든 정지하든 곡면이든 매끄럽든 상관없이 모든 표면에 부착할 수 있다는 것이다. 이것은 remora의 접착 장치에서 영감을 받은 정수압 흡입 컵에 의해 가능하다. 이 바다 물고기는 등 뒤에 있는 흡입판의 도움으로 상어나 고래의 피부에 달라붙어 "히치하이크"하여 물을 통과할 수 있다.

Li와 그의 동료들은 "우리는 remora 물고기의 흡입판이 물속에서뿐만 아니라 공기에서도 작동한다는 사실에 매료되었다"라고 설명했다. 접착 장치를 자세히 조사한 결과 물고기가 흡입판의 꼭 맞는 가장자리 능선을 표면 위로 눌러 밑면을 만드는 것으로 나타났다. 여러 개의 중복 챔버와 단단하고 부드러운 구성 요소로 구성된 지지 구조 덕분에 이 흡입판은 단순한 석션 컵보다 더 잘 붙는다.

라멜라 시스템 및 정수압

Li와 그의 팀은 "히치하이커" 드론을 위해 이 원칙을 재창조했다.
로봇의 접착판은 움직일 수 있는 접착 스트립으로 둘러싸인 여러 개의 길쭉한 챔버로 구성돼 있다. 드론이 표면에 착륙하면 처음에 기울어진 슬랫이 무너지고 지면에 평평하게 놓인다. 챔버는 이제 봉인된다. 로터가 멈추고 라멜라에 가해지는 압력이 감소하면 라멜라가 견고함을 잃지 않고 다시 약간 상승해 챔버에 음압이 생성된다. 즉, 드론이 접착된다.

이 수동 접착 방법 외에도 드론 흡인판은 부드러운 소재의 유체 압력을 통해 핀의 압력과 각도를 조절할 수 있는 정수압 접착 보조제를 사용한다. 이 추가 시스템을 통해 작은 로봇이 땅에서 빠르게 분리될 수 있다. 이를 위해 슬랫은 단단히 닫히지 않고 음압이 보상될 정도로 설정된다.

거칠거나 곡면 또는 움직이는 표면에서도 확고한 고정

초기 테스트에서 드론은 생체에서 영감을 받은 이 흡입판 덕분에 공기와 물의 다양한 표면에 달라붙을 수 있었다. "로봇은 수평 지붕이나 45도까지 기울어진 표면에 스스로 부착할 수 있다"라고 Li와 그의 팀이 보고했다. 매끄럽고 고르지 않은 암석이나 수중에서 구부러진 선박의 선체에도 달라붙을 수 있다. "드론은 큰 횡력과 종방향 힘을 견딜 수 있어 움직이는 주된 물체에서 '히치하이크'할 수도 있다"라고 연구원들은 설명했다.

이런 식으로 테스트 로봇은 수중 세계와 해저를 비디오로 촬영하면서 수상 보트를 타고 이동한다. 히치하이킹 로봇은 자체 추진 차량보다 거의 20배 적은 에너지를 소비한다. 드론이 목적지에 도달하면 탈것에서 분리되어 물에서 공중으로 떠오를 수 있어 휴식 없이 촬영을 계속할 수 있다.

▲ 드론의 고정 플레이트는 레모라 물고기의 빨판에서 영감을 받았다. © Beihang University/사이언스 로보틱스

환경 보호, 해양 생물학 또는 매핑에 사용

이러한 기능 덕분에 이러한 수륙 양용 드론은 해양 환경의 감시 작업에 특히 적합하다. 예를 들어, 해양 포유류와 함께 여행하고 그들의 행동을 관찰하거나 환경 오염을 조사하기 위해 배를 바다로 보낼 수 있다. 드론은 강, 호수 또는 저수지와 같은 담수에서 감시 작업에도 사용할 수 있다.

지금까지 드론은 수면과의 통신 링크가 실패하기 전에 2미터 깊이까지 잠수할 수 있다. 그러나 이것은 여전히 ​​​​확장될 수 있다. 또한 무인 항공기에 생물학적 표적 유기체를 인식하는 자율 기능을 장착하여 독립적으로 "승객 기회"를 찾을 수 있도록 하는 것도 생각할 수 있다.
(Science Robotics, 2022; doi: 10.1126/scirobotics.abm6695)
출처: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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