이 빠르고 민첩한 로봇 곤충은 언젠가 기계적 수분을 도울 수 있을 것입니다.
보다 효율적인 인공 수분 방법을 통해 미래의 농부들은 다층 창고에서 과일과 채소를 재배하여 수확량을 늘리는 동시에 농업이 환경에 미치는 해로운 영향을 완화할 수 있습니다.
이 아이디어를 현실로 만들기 위해 MIT 연구원들은 언젠가 기계 벌집에서 떼를 지어 나와 정확한 수분을 신속하게 수행할 수 있는 로봇 곤충을 개발하고 있습니다. 그러나 최고의 벌레 크기 로봇이라 할지라도 지구력, 속도, 기동성에 있어서는 벌과 같은 자연 수분매개자에게는 상대가 되지 않습니다.
이제 이러한 자연 수분매개체의 해부학적 구조에서 영감을 받아 연구원들은 이전 버전보다 훨씬 더 민첩하고 내구성이 뛰어난 작은 공중 로봇을 생산하기 위해 설계를 철저히 조사했습니다.
새로운 로봇은 이전에 시연된 것보다 100배 이상 긴 약 1,000초 동안 호버링할 수 있습니다. 종이클립보다 무게가 가벼운 이 로봇 곤충은 비슷한 로봇보다 훨씬 빠르게 날면서 이중 공중 뒤집기와 같은 곡예 동작을 수행할 수 있습니다.
개조된 로봇은 비행 정밀도와 민첩성을 높이는 동시에 인공 날개 굴곡에 대한 기계적 응력을 최소화하도록 설계되어 더 빠른 기동, 향상된 지구력 및 더 긴 수명을 가능하게 합니다.
새로운 디자인은 또한 로봇이 작은 배터리나 센서를 휴대할 수 있을 만큼 여유 공간이 충분하여 실험실 밖에서 스스로 비행할 수 있습니다.
"이 논문에서 보여준 비행량은 아마도 우리 분야에서 이 로봇 곤충으로 축적할 수 있었던 전체 비행량보다 길었을 것입니다. 이 로봇의 수명과 정밀도가 개선됨에 따라, 우리는 보조 수분과 같은 매우 흥미로운 응용 분야에 더 가까이 다가가고 있습니다."라고 전자 연구실(RLE) 내 소프트 및 마이크로 로봇 연구실 책임자이자 새로운 디자인에 대한 오픈 액세스 논문의 수석 저자인 케빈 첸은 말합니다.
Chen은 공동 저자 Suhan Kim과 Yi-Hsuan Hsiao(EECS 대학원생)와 함께 논문에 참여했으며, EECS 대학원생 Zhijian Ren과 여름 방문 학생 Jiashu Huang도 참여했습니다. 이 연구는 오늘 Science Robotics 에 게재되었습니다.
성능 향상
이전 버전의 로봇 곤충은 마이크로카세트 크기의 직사각형 장치로 결합된 각각 2개의 날개를 가진 4개의 동일한 장치로 구성되었습니다.
"그러나 날개가 8개 있는 곤충은 없습니다. 기존 설계에서는 각 개별 장치의 성능이 조립된 로봇보다 항상 더 좋았습니다."라고 Chen은 말합니다.
이러한 성능 저하는 부분적으로 날개 배열로 인해 발생했는데, 날개가 퍼덕거릴 때 서로 공기를 불어넣어 날개가 생성할 수 있는 양력을 줄였습니다.
새로운 디자인은 로봇을 반으로 자른다. 4개의 동일한 유닛 각각에는 이제 로봇의 중심에서 멀어지는 날개를 펄럭이는 날개가 하나씩 있어 날개를 안정시키고 양력을 강화합니다. 날개 수가 절반인 이 디자인은 로봇이 전자 장치를 운반할 수 있도록 공간을 확보합니다.
또한 연구원들은 날개를 날개를 퍼덕이는 작동기 또는 인공 근육에 연결하는 더 복잡한 변속기를 만들었습니다. 더 긴 날개 힌지 설계가 필요한 이러한 내구성 있는 변속기는 이전 버전의 내구성을 제한했던 기계적 변형을 줄입니다.
Chen은 "기존 로봇에 비해 이제 이전보다 3배 더 큰 제어 토크를 생성할 수 있으므로 매우 정교하고 정확한 경로 탐색 비행을 수행할 수 있습니다"라고 말했습니다.
그러나 이러한 디자인 혁신에도 불구하고 최고의 로봇 곤충과 실제 곤충 사이에는 여전히 격차가 있습니다. 예를 들어, 벌은 날개가 두 개밖에 없지만 빠르고 고도로 제어된 동작을 수행할 수 있습니다.
"벌의 날개는 매우 정교한 근육 세트에 의해 정밀하게 제어됩니다. 이러한 수준의 미세 조정은 우리에게 정말 흥미로운 것이지만 아직 복제할 수는 없습니다."라고 그는 말합니다.
긴장은 덜고 힘은 더 세게
로봇 날개의 움직임은 인공 근육에 의해 구동됩니다. 이 작고 부드러운 액추에이터는 두 개의 매우 얇은 탄소 나노튜브 전극 사이에 끼워진 엘라스토머 층으로 만들어진 다음 말랑말랑한 원통형으로 만들어졌습니다. 액추에이터는 빠르게 압축되고 늘어나 날개를 펄럭이는 기계적 힘을 생성합니다.
이전 설계에서는 액추에이터의 움직임이 비행에 필요한 매우 높은 주파수에 도달하면 장치가 종종 좌굴되기 시작했습니다. 이는 로봇의 전력과 효율성을 감소시킵니다. 새로운 변속기는 이러한 굽힘-좌굴 운동을 억제하여 인공 근육의 부담을 줄이고 날개를 퍼덕이는 데 더 많은 힘을 가할 수 있게 해줍니다.
또 다른 새로운 디자인에는 날개가 펄럭이는 동작 중에 발생하는 비틀림 응력을 줄이는 긴 날개 힌지가 포함됩니다. 길이가 약 2cm이고 직경이 200마이크론에 불과한 힌지를 제작하는 것이 가장 큰 과제 중 하나였습니다.
Chen은 "제작 과정에서 작은 정렬 문제라도 발생하면 날개 힌지가 직사각형이 아닌 기울어져 날개 운동학에 영향을 미치게 됩니다."라고 Chen은 말합니다.
많은 시도 끝에 연구원들은 각 날개 경첩을 정확하게 제작할 수 있는 다단계 레이저 절단 공정을 완성했습니다.
4개의 장치를 모두 장착한 상태에서 새로운 로봇 곤충은 비행 정밀도의 저하 없이 1,000초 이상(거의 17분에 해당) 동안 공중을 맴돌 수 있습니다.
Chen은 "내 학생 Nemo가 그 비행을 수행했을 때 그가 평생 보낸 시간 중 가장 느린 1,000초였다고 말했습니다. 그 실험은 극도로 긴장되는 일이었습니다."라고 Chen은 말합니다.
새로운 로봇은 또한 몸 구르기와 이중 뒤집기를 수행하는 동안 초당 35cm의 평균 속도에 도달했으며 가장 빠른 비행 연구원이 보고했습니다. MIT를 나타내는 궤적을 정확하게 추적할 수도 있습니다.
"결국 우리는 현장의 다른 누구보다도 100배 더 긴 비행을 보여주었기 때문에 이는 매우 흥미로운 결과입니다."라고 그는 말합니다.
여기에서 Chen과 그의 학생들은 10,000초 이상 비행을 달성한다는 목표를 가지고 이 새로운 디자인을 얼마나 멀리 추진할 수 있는지 확인하고 싶어합니다.
그들은 또한 꽃의 중앙에서 착륙하고 이륙할 수 있도록 로봇의 정밀도를 향상시키고 싶어합니다. 장기적으로 연구원들은 공중 로봇에 작은 배터리와 센서를 설치하여 실험실 외부를 비행하고 탐색할 수 있기를 희망합니다.
Chen은 "이 새로운 로봇 플랫폼은 우리 그룹의 주요 결과이며 많은 흥미로운 방향으로 이어집니다. 예를 들어 이 로봇에 센서, 배터리 및 컴퓨팅 기능을 통합하는 것이 향후 3~5년 동안 핵심 초점이 될 것입니다."라고 Chen은 말합니다.
이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)과 Mathworks Fellowship의 일부 자금 지원을 받았습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250115165102.htm
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