메뚜기처럼 뛰는 1g 로봇 '다이렉트홉'…계단도 훌쩍 오른다
미국 워싱턴대(UW) 연구팀이 메뚜기처럼 뛰어오르는 무게 1g짜리 초소형 로봇 '다이렉트홉(DirectHop)'을 개발했다. 사람 머리카락 굵기의 부품으로 이뤄진 이 작은 로봇은 원하는 높이만큼 정밀하게 뛰어오르고, 착지 후에는 스스로 몸을 뒤틀어 자세를 바로잡은 뒤 다시 도약할 수 있다.
소이어 풀러 워싱턴대 교수는 점핑 로봇이 풀어야 할 가장 어려운 과제로 점프 거리를 자유롭게 조절하는 능력, 넘어졌을 때 스스로 자세를 바로잡는 능력, 여러 번 연속으로 뛰기 위해 에너지를 다시 채우는 능력 세 가지를 꼽았다. 지금까지 나온 점핑 로봇들은 이 세 가지를 동시에 만족시키지 못하고 한두 가지 능력만 갖추는 데 그쳤다. 다이렉트홉은 완전히 새로운 구조로 이 세 문제를 동시에 해결했다고 연구팀은 설명했다. 풀러 교수는 이제 로봇 스스로 전원을 공급하고 조향, 내비게이션 등 다른 과제를 해결하는 데도 상당한 진전을 이뤘다고 덧붙였다.
스프링 없앤 발상의 전환
기존 점핑 로봇은 대부분 벼룩처럼 스프링을 압축했다가 순간적으로 튕겨내는 방식을 써왔다. 이 방식은 멀리 뛸 수는 있지만 한 번 압축한 스프링이 방출하는 힘은 세밀하게 조절하기 까다로워 점프 거리를 원하는 만큼 바꾸기 어렵고, 스프링과 이를 고정하는 걸쇠 장치 자체가 부피를 차지해 로봇을 작게 만들기도 힘들었다. 다이렉트홉은 이런 스프링·걸쇠 구조를 아예 없앴다. 대신 초소형 전기 모터가 낚싯줄을 감아 몸체를 탑처럼 생긴 구조물 위로 서서히 끌어올리는 방식으로 도약력을 만든다. 스프링이 순간적으로 힘을 터뜨리는 대신 모터가 힘을 직접 만들어내는 구조이기 때문에, 모터에 흘려보내는 전류의 양만 조절하면 점프 거리를 1cm 단위까지 세밀하게 바꿀 수 있고, 이 힘만으로도 평균적인 계단 한 칸 높이를 뛰어오를 수 있다. 또 공중에서 회전하다 옆으로 쓰러지는 경우에 대비해 착지를 지탱하는 롤케이지(roll cage) 장치도 달아, 넘어져도 곧바로 다음 도약을 준비할 수 있게 했다.
연구팀이 이런 방식을 택한 이유는 곤충과 양서류의 이동법에서 찾을 수 있다. 모기처럼 계속 날갯짓을 해 공중에 떠 있으려면 끊임없이 에너지를 써야 하지만, 벼룩은 뛰어오르는 순간에만 에너지를 쓰고 나머지 이동 구간은 관성으로 지나간다. 연구팀에 따르면 이런 방식이 비행보다 에너지 효율이 약 100배 높다. 탑재할 수 있는 배터리 용량이 작을 수밖에 없는 초소형 로봇일수록 이런 에너지 효율이 중요한 만큼, 연구팀은 곤충·양서류의 에너지 절감 원리에 착안해 다이렉트홉을 설계했다고 밝혔다.
워싱턴대가 공개한 보도자료에 따르면 이번 연구는 워싱턴대 기계공학과 대학원생 한콴(존) 왕이 제1저자를 맡았고, 같은 학과 연구원 야시 탈웨카르가 공동저자로 참여했으며 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받았다. 실험 결과 로봇이 넘어진 뒤 스스로 자세를 바로잡는 데 성공한 비율은 약 90%로 나타났다. 왕은 태양전지와 배터리, 방향 조종용 진동모터, 카메라와 전자장치까지 모두 갖춘 완성형 다이렉트홉 한 대를 만드는 데 드는 비용이 약 10달러 수준일 것으로 예상한다고 밝혔다. 저렴한 제작 비용은 여러 대를 한꺼번에 투입하는 군집 운용 가능성과도 맞닿아 있는 대목이다.
다만 현재 로봇은 전선을 통해서만 전력을 공급받아야 하고 이동 방향을 스스로 조종할 수단이 없다는 한계가 있다. 연구팀은 태양전지와 배터리를 이용한 자체 전원 공급, 도약 각도를 조절하는 접이식 발, 주행을 위한 카메라와 전자장치 탑재 등을 후속 과제로 추진하고 있다. 풀러 교수는 카메라로 계단을 인식해 필요한 점프 높이를 스스로 계산하고 위치를 조정한 뒤 뛰어오르는 완전 자율 계단 등반을 목표로 제시했다. 전선과 조종 장치 없이도 계단처럼 사람이 만든 구조물을 스스로 오르내릴 수 있게 되면, 좁고 복잡한 공간에 투입하는 초소형 탐사·점검용 로봇으로 활용 범위가 넓어질 수 있다.
이번 연구 성과는 오는 9월 30일 국제지능로봇시스템학회(IROS)에서 발표될 예정이다. 논문 제목은 'DirectHop: A Direct-Drive Insect-Sized Robot that can Control Jump Height and Self-Right'다.
자료: 워싱턴대