서울대학교

서울대학교 기계항공공학부 김호영 교수(왼쪽), 조규진 교수(오른쪽)

■ 연구진

• -서울대학교 공과대학 기계항공공학부
  조규진 교수, 김호영 교수, 고제성 박사, 양은진 (박사과정), 정광필 (박사과정), 정순필 (박사과정)
• -서울대학교 자연과학대학 생명과학부
  피오트르 야브원스키 교수, 이상임 박사, 손재학 석사
• -School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University
  Robert J. Wood 교수

■ 연구내용 및 의의 물가나 습지에 서식하는 다양한 소형 생물들은 주로 물의 표면장력을 이용하여 활동한다. 이들의 수상 거동은 다양한 방식으로 연구되고 응용되어 왔다. 특히 긴 다리를 자유자재로 움직여 수면에서 활주하고, 도약하는 소금쟁이의 거동은 정교함과 성능면에서 독보적이다. 이러한 소금쟁이의 수상 활주에 관하여 많은 연구가 이루어지고 응용되어 온 반면, 수상 도약에 대한 연구는 기초적인 단계에 머물렀었다.

기계항공공학부 김호영, 조규진 교수의 공동연구팀은 소금쟁이가 수면에서 도약할 때 표면장력을 최대한 이용하는 방식으로 운동함을 밝히고, 이를 응용하여 소금쟁이와 유사한 도약 성능을 보이는 수상 도약 로봇을 개발하였다.

소금쟁이 로봇의 수상 도약

연구결과에 따르면, 땅에서 뛰는 많은 동물들과 달리, 소금쟁이는 도약할 때에 수면을 단순히 아래로 누르지 않고 넓게 벌렸던 네 개의 다리를 회전시켜 가운데로 모으는 동작을 취한다. 이는 다리가 수면을 누르는 시간을 최대화하여 가속 시간을 늘릴 수 있는 이점이 있다. 소금쟁이는 또한, 수면을 누르는 동안에 표면 장력이 버틸 수 있는 한계 이하로 힘 조절을 한다. 이를 통해 운동 중에 수면이 뚫려 다리가 물에 빠지는 위험을 줄이고 가속을 최대화하여 매우 효율적으로 도약한다.

또한, 본 연구팀은 소금쟁이의 도약 특성 연구 결과를 바탕으로 표면장력을 활용한 효율적인 수상 도약을 구현할 수 있는 로봇을 개발하였다. 벼룩의 도약기관 구조를 모사한 토크 역전 메커니즘(torque reversal catapult mechanism)을 활용하여 소금쟁이의 다리 회전 및 추력 곡선을 모사하였고, 최대 추력이 표면 장력 허용 한계 이하가 되도록 액추에이터를 설계하였다. 또한, 입체 종이책을 만들 듯이 pop-up 공정으로 제작한 초경량 액추에이터에 가늘고 긴 형상합금 다리를 이어, 68 mg의 초경량 로봇을 구현하였다. 본 로봇은 수면을 뚫지 않고 표면장력을 최대로 이용하며, 지상에서 뛰는 높이만큼 물에서도 뛰어오를 수 있다.

본 연구팀은 이 연구가 생물학자, 유체역학자, 로봇공학자의 노력이 합쳐져서 이루어진 융합연구의 대표적 성공 사례라고 밝혔다. 곤충 크기에서 단순한 기능을 수행하는 생체모방 로봇은 휴머노이드와 같은 고비용 로봇과는 차별되는 분야에서 이용될 수 있어서 세계적으로도 큰 관심을 받고 있다. 가까운 미래에 소형 로봇은 재해나 오염지역, 전장에서 대량으로 흩어져 감시, 정찰, 인명 발견 등의 목적에 사용될 것으로 연구팀은 전망했다.

연구 결과는 ‘SCIENCE’ 7월 31일자 온라인판에 게재되었다.
(논문명: Jumping on water: Surface tension-dominated jumping of water striders and robotic insects)
해당 연구성과는 BBC, 뉴욕타임즈, LA 타임즈, 사이언스지 등 보도되었다.