잠수함 로봇, 수중파를 포착하다

바다의 드론처럼 소형 자율 수중 로봇은 바다의 깊이를 연구하고 변화하는 환경을 모니터링하는 데 매우 유용할 수 있습니다. 하지만 이러한 항해용 소형 로봇은 격렬한 해류에 쉽게 제압될 수 있습니다.

존 다비리(John Dabiri, 박사 학위 '05) 100주년 항공 및 기계공학 교수가 이끄는 캘리포니아 공과대학(Caltech) 과학자들은 해파리의 바다를 횡단하고 탐색하는 자연적인 능력을 활용하여, 해파리에게 전자 장치와 의수 "모자"를 장착하여 작은 화물을 운반하고 항해 결과를 수면으로 보고할 수 있도록 했습니다.

이 생체 공학 해파리는 마주치는 해류의 흐름에 적응해야 하지만, 뇌가 없는 이 생명체는 목적지까지 최적의 항해 방법을 스스로 판단하지 못하며, 일단 배치되면 원격 조종이 불가능합니다.

"증강된 해파리가 훌륭한 해양 탐험가가 될 수 있다는 것은 알고 있지만, 그들에게는 뇌가 없습니다."라고 다비리는 말합니다. "그래서 우리가 연구해 온 것 중 하나는 이러한 시스템에 수중에서 결정을 내릴 수 있는 능력을 부여한다면 그 뇌가 어떤 모습일지 개발하는 것입니다."

다비리와 그의 전 대학원생이자 현재 브라운 대학교에 재학 중인 피터 구나르슨(PhD '24)은 이러한 의사 결정 과정을 단순화하고 로봇, 또는 증강된 해파리가 해류가 만들어내는 난류 소용돌이에 맞서 싸우는 대신, 소용돌이를 타도록 돕는 방법을 찾아냈습니다. 연구진은 최근 PNAS Nexus 저널에 연구 결과를 발표했습니다.

이 연구를 위해 거너슨은 연구실의 오랜 친구인 CARL-Bot(Caltech 자율 강화 학습 로봇)을 활용했습니다. 거너슨은 수년 전 CARL-Bot의 항해 기술에 인공지능을 접목하려는 연구의 일환으로 이 로봇을 개발했습니다. 하지만 최근 거너슨은 AI보다 더 간단한 방법으로 수중에서 이러한 시스템이 결정을 내릴 수 있도록 하는 방법을 찾아냈습니다.

"우리는 수중 이동체가 난류를 추진력으로 사용할 수 있는 방법에 대해 브레인스토밍을 했고, 그것이 문제가 되기보다는 오히려 이런 작은 이동체에 이점이 될 수 있을지 궁금했습니다."라고 구나슨은 말합니다.

구나르슨은 해류가 로봇을 어떻게 움직이는지 정확히 이해하고자 했습니다. 그는 캘리포니아 공과대학 캠퍼스 내 구겐하임 항공 연구소에 있는 다비리 연구실의 16피트 길이의 탱크 벽에 추진기를 부착하여 소위 소용돌이 고리(물속에서 연기 고리와 같은 현상)를 반복적으로 생성했습니다. 소용돌이 고리는 수중 탐험가가 바다의 혼란스러운 유체 흐름에서 마주칠 수 있는 교란의 유형을 잘 보여줍니다.

구나르슨은 CARL-Bot에 장착된 단일 가속도계를 사용하여 로봇이 어떻게 움직이고 소용돌이 고리에 의해 밀려나는지 측정하기 시작했습니다. 그는 로봇이 가끔씩 소용돌이 고리에 갇혀 탱크를 가로질러 밀려나가는 것을 발견했습니다. 그와 동료들은 이러한 효과가 의도적으로 만들어질 수 있는지 궁금해하기 시작했습니다.

이를 탐구하기 위해 연구팀은 CARL이 소용돌이 고리의 상대적 위치를 감지하고, Gunnarson의 표현을 빌리자면 "거의 공짜로 탱크를 가로질러 탈 수 있도록" 위치를 지정하는 간단한 명령을 개발했습니다. 또는, 봇이 소용돌이 고리에 밀리고 싶지 않다면 그 쪽으로 피할 수도 있습니다.

다비리는 이 과정에 생체모방 요소가 포함되어 있으며, 자연의 원리를 그대로 차용한 것이라고 지적합니다. 예를 들어, 활공하는 새들은 에너지를 절약하기 위해 바람을 거슬러 날아가기보다는 강풍을 이용하는 경우가 많습니다.

또한, 물고기는 에너지 보존을 위해 소용돌이치는 해류에 몸을 맡길 수 있다는 실험 결과도 있습니다. 그러나 두 자연 현상 모두에서, 시스템은 비교적 정교한 감각 입력과 뇌를 이용하여 이를 달성합니다.

"피터가 알아낸 건, 기본적으로 단일 센서, 즉 가속도계 하나와 비교적 간단한 제어 법칙을 사용하면 주변 환경의 에너지를 이용해 A지점에서 B지점으로 이동하는 측면에서 비슷한 이점을 얻을 수 있다는 것입니다."라고 다비리는 말합니다.

다비리는 미래를 내다보며 이 연구를 자신의 잡종 해파리와 접목하고자 합니다. "해파리를 이용하면 이 시스템이 어떻게 움직이는지 측정하는 가속도계를 탑재할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

"환경의 흐름을 활용하여 물속에서 더 효율적으로 움직이는 유사한 능력을 보여줄 수 있기를 바랍니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250512153357.htm