과학자들이 초고속 미니 로봇의 자연 비밀을 밝혀내다

부채꼴을 뽐내는 라고벨리아 소금쟁이. 사진 제공: Victor Ortega-Jimenez/UC Berkeley

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스, 조지아 공과대학교, 아주대학교 공동 연구팀은 소금쟁이(Rhagovelia)의 독특한 부채꼴 프로펠러가 마치 붓처럼 수동적으로 열리고 닫히며, 눈 깜짝할 새보다 10배 빠르게 움직인다는 사실을 밝혀냈습니다. 이러한 생물학적 혁신에서 영감을 받아 연구팀은 소금쟁이의 민첩한 움직임을 모방하는 자체 변형 팬을 탑재한 혁신적인 곤충 크기 로봇을 개발했습니다. 이 연구는 자연선택에 의해 형성된 생물학적 적응의 형태와 기능이 추가적인 에너지 비용 없이 소금쟁이와 생체공학 로봇 모두의 이동 능력과 지구력을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

자동 팬은 계면 운동을 향상시킨다.

라고벨리아 물벼룩은 물벼룩 중에서도 독특한데, 이 밀리미터 크기의 반수생 곤충은 추진 다리에 특수한 부채꼴 모양의 구조를 사용하여 빠른 회전과 폭발적인 속도를 낼 수 있습니다.

"팬데믹 기간 동안 케네소 주립대학교에서 박사후 연구원으로 일하면서 물갈퀴를 처음 봤을 때 정말 흥미로웠습니다."라고 이 연구의 주저자인 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 통합 생물학자 빅터 오르테가-히메네스는 말했다. 오르테가-히메네스는 이전에도 불안정한 수위에서 큰 소금쟁이의 점프 능력을 연구했지만, 라호벨리아속(Rhahovelia) 소금쟁이는 달랐다. "이 작은 곤충들은 격류의 수면을 매우 빠르게 스치듯 이동하고 회전해서 마치 날아다니는 곤충처럼 보였습니다. 어떻게 그럴 수 있을까요? 그 질문은 제 마음속에 깊이 남았고, 답을 찾기 위해 5년이 넘는 놀라운 공동 연구를 진행했다."

지금까지 이 선풍기는 근육의 작용만으로 작동한다고 여겨졌습니다. 그러나 8월 21일 Science 에 발표된 한 연구에 따르면, 라고벨리아의 납작한 리본 모양 선풍기는 근육 에너지에 의존하지 않고 표면 장력과 탄성력을 이용하여 수동적으로 형태를 변형할 수 있다고 합니다.

오르테가-히메네스 박사는 "물방울과 접촉하자마자 거의 즉각적으로 수동적으로 팽창하는 고립된 선풍기를 처음 관찰한 것은 전혀 예상치 못한 일이었습니다."라고 말했습니다.

다리를 뻗을 때의 접이식성과 추진할 때의 경직성이라는 놀라운 조합 덕분에 이 곤충은 단 50밀리초 만에 급선회를 하고 초당 최대 120체장만큼의 속도로 움직일 수 있어 날아다니는 파리의 빠른 공중 기동에 필적할 만합니다.

협력이 핵심이다

오르테가-히메네스 박사는 2020년 캔자스 주립대를 떠나 조지아 공대에 합류하여 라고벨리아(Rhagovelia) 곤충에 대한 프로젝트와 예비 관찰 결과를 사드 밤라 박사에게 발표했고, 그는 이에 매료되어 더 깊이 탐구하고 싶어했습니다. 밤라 박사는 제성 박사의 연구팀을 협력 연구로 이끌어 생물학, 물리학, 로봇공학을 프로젝트에 통합할 새로운 가능성을 열었습니다.

"저는 평범한 곳에 숨겨진 진정한 발견을 보았습니다. 우리는 종종 과학이 천재들만의 스포츠라고 생각하지만, 이는 전혀 사실이 아닙니다. 현대 과학은 경계와 학문 분야를 넘어 호기심 많은 과학자들이 함께 협력하여 자연을 연구하고 새로운 생물학적 영감을 받은 기계를 개발하는 학문 간 협력의 결과입니다."라고 Bhamla 박사는 말했습니다.

실험생물학, 유체물리학, 공학 설계를 통합한 이러한 학제적 노력은 5년 이상 지속되었습니다.

Rhagobot 탄생: 차세대 물소 로봇

잔물결벌레에서 영감을 받은 곤충 크기의 로봇을 만드는 것은 큰 도전이었습니다. 특히 선풍기의 미세 구조 설계가 여전히 미스터리로 남아 있었기 때문입니다. 아주대학교 김동진 박사와 제성 교수가 주사전자현미경을 사용하여 선풍기의 고해상도 이미지를 촬영하면서 이 퍼즐의 해답을 찾을 수 있었습니다.

"처음에는 머리카락처럼 보이는 다양한 원통형 선풍기를 설계했습니다. 하지만 원통형 구조로는 추진력을 발생시키는 강성과 접을 수 있는 유연성이라는 선풍기의 기능적 이중성을 구현할 수 없었습니다. 수많은 시도 끝에 납작한 리본 모양의 선풍기를 설계하여 이 과제를 극복했습니다. 생물학적 선풍기도 이와 유사한 형태를 가질 것이라는 강한 의심을 품었고, 결국 Rhagovelia 선풍기가 이전에 보고된 적이 없는 납작한 리본 미세 구조를 가지고 있음을 발견했습니다. 이 발견은 인공 납작 리본 선풍기의 설계 원리를 더욱 확증해 주었습니다."라고 아주대학교 박사후연구원이자 본 연구의 주저자인 김동진 박사는 말했습니다.

이러한 통찰력을 바탕으로 그들은 이 자연 추진 시스템의 구조적 기반과 기능을 해독하고 로봇 형태로 재현할 수 있었습니다. 그 결과, 1밀리그램의 탄성모세관 팬이 자체적으로 전개되고, 이를 곤충 크기의 로봇에 통합하는 엔지니어링이 탄생했습니다. 이 마이크로로봇은 향상된 추력, 제동력, 그리고 기동성을 갖추고 있으며, 살아있는 곤충과 로봇 프로토타입을 활용한 실험을 통해 그 성능이 검증되었습니다.

"저희 로봇 선풍기는 생물학적인 것과 마찬가지로 수면의 힘과 유연한 기하학 구조만을 이용하여 스스로 형태를 만듭니다. 이는 수백만 년의 진화를 통해 자연에 의해 다듬어진 기계적 내장 지능의 한 형태입니다. 소규모 로봇 공학에서 이러한 효율적이고 독특한 메커니즘은 기존 로봇의 소형화 한계를 극복하는 핵심 기술이 될 것입니다."라고 이 연구의 선임 저자인 고제성 교수는 말했습니다.

이 연구는 팬 미세 구조와 수중 운동 제어 사이의 직접적인 연관성을 밝힐 뿐만 아니라, 까다롭고 흐름이 빠른 환경에서 수면을 탐험할 수 있는 소형 반수중 로봇의 미래 설계를 위한 기초를 마련했습니다.

물속으로 들어가고 나올 때 빠르게 접혔다가 다시 펼쳐지는 리플 버그의 부채꼴 구조는 전례 없는 생체역학적 이중성을 보여줍니다. 빠른 전개를 위한 높은 유연성과 추력을 위한 높은 강성입니다. 이러한 이중성은 비효율적인 스트로크 회복과 제한된 기동 능력과 같은 소규모 수중 로봇 공학의 오랜 한계를 해결합니다.

물 위의 소용돌이와 파도 스케치

추진력을 얻는 동안, 부채꼴 모양의 물소금벌레(예: 게리데(Gerridae )과 )가 초소수성 다리를 물 위에서 쓸어내릴 때 특징적인 쌍극자 소용돌이와 모세관파를 생성한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이와 대조적으로, 부채꼴 모양의 물소금벌레(Rhagovelia)는 매 움직임마다 독특하고 복잡한 소용돌이 모양을 생성하는데, 이는 공중에서 날갯짓을 할 때 발생하는 후류와 매우 유사합니다.

"라고벨리아는 마치 그리스 신 헤르메스처럼 다리에 작은 날개가 달린 것 같습니다."라고 오르테가-히메네스 박사는 말했다. "잔물결벌레가 항력 기반 추진력 외에도 부채꼴 모양의 구조로 양력 기반 추력을 생성할 수 있는지 확인하기 위해서는 향후 연구가 필요합니다."

이러한 가능성은 흥미로운데, 증거에 따르면 회전목마와 가마우지는 각각 털이 많은 다리와 물갈퀴가 있는 발을 통해 수영 추진을 위한 유체 역학적 양력을 생성하기 때문입니다.

이러한 소용돌이 외에도 Rhagovelia 벌레는 다리 추진 시 대칭적인 모세관파를 생성하는데, 이는 추력 생성에 도움이 되는 것으로 보이며, 몸체 앞부분에서 형성되는 강한 선수파도 이에 포함됩니다.

격동의 물결에 맞서다

자연 하천은 특히 하천 경계면에서 살고 움직이는 작은 동물들에게는 큰 난관입니다. 쌀알만 한 크기의 잔물결벌레는 포식자를 피하고, 먹이를 잡고, 짝을 찾으면서 매우 역동적이고, 물결치며, 격동하는 물살을 헤쳐 나가야 합니다. 이 곤충들이 매일 견뎌내는 상대적인 난류는 우리가 일반적으로 비행기 난류에서 경험하는 것보다 훨씬 높습니다. 놀랍게도, 실험실에서 이 곤충들을 24시간 관찰한 결과, 놀라운 지구력이 드러났습니다.

"이들은 평생 동안 말 그대로 밤낮으로 노를 저으며, 털갈이, 짝짓기, 먹이 활동을 할 때만 잠시 멈춥니다."라고 오르테가-히메네스는 말했다. 하천에서 발견되는 이러한 불안정한 조건은 예측 불가능한 물 위에서 효과적으로 움직일 수 있는 계면 마이크로 로봇을 설계하는 데에도 상당한 어려움을 야기합니다.

"소형 로봇을 설계할 때는 로봇이 작동할 특정 환경, 이 경우에는 수면을 고려하는 것이 중요합니다. 이러한 환경의 고유한 특성을 활용함으로써 로봇의 성능과 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 라고봇(Rhagobot)은 표면 장력과 수면의 항력으로 구동되는 지능형 팬 구조 덕분에 흐르는 개울을 따라 빠르게 이동할 수 있습니다."라고 고제성(Jesung Koh)은 말했습니다.

마지막으로, 이러한 발견은 생물에서 영감을 받은 로봇 공학, 특히 환경 모니터링 시스템, 수색 및 구조용 마이크로 로봇, 곤충과 같은 민첩성으로 교란된 물-공기 계면을 탐색할 수 있는 장치 개발에 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250824031532.htm