MIT, 발광 반딧불이 로봇 개발
발광입자 들어 있는 인공근육 날개 달아
빛 활용해 위치 추적, 통신 가능
과학자들이 반딧불이에 영감을 받아 비행 시 빛을 방출하는 곤충 크기 로봇을 개발하고 동작 추적과 통신을 가능하게 만들었다.
미국 과학 매체 사이테크데일리는 12일 MIT 연구원들이 자연으로부터 영감을 받아 빛을 내는 인공근육 날개를 단 곤충 크기 로봇을 개발했다고 보도했다. 로봇의 날개를 조종하는 작은 인공근육은 날아가는 중에 색이 있는 빛을 방출한다.
전자 발광은 로봇들이 서로 통신할 수 있도록 한다. 예를 들어 붕괴된 건물에서 생존자를 찾도록 하면 로봇은 조명을 사용해 다른 사람들에게 신호를 보내고 도움을 요청할 수 있다.
더운 여름 밤 야외에서 활동하는 반딧불이는 빛을 사용해 짝을 유인하거나, 포식자를 막거나, 먹이를 유혹한다. 이처럼 반짝이는 반딧불이는 MIT 연구자들의 영감을 자극했다.
종이 클립보다 무게가 나가지 않는 이 작은 크기의 로봇이 실험실 밖에서 실용화된 것은 빛을 방출하는 능력 덕택이다. 로봇이 매우 가벼워서 센서를 휴대할 수 없기에 야외에서는 잘 작동하지 않는 부피가 큰 적외선 카메라를 사용해 로봇을 추적해야 했었지만, 이제는 세 대의 스마트폰 카메라를 이용해 로봇이 방출하는 빛을 통해 정확하게 추적할 수 있게 됐다.
MIT 전자컴퓨터과학과 교수로 전자소프트 및 마이크로로보틱스연구실 책임자인 케빈 첸 교수는 “커다란 로봇을 생각한다면 블루투스, 무선 등 다양한 도구를 사용하여 통신할 수 있지만 전력이 제한된 작은 로봇의 경우, 새로운 통신 방식에 대해 생각해야 했다”며 “빛을 활용한 것이 잘 튜닝된 최첨단 동작 추적 시스템이 없는 야외 환경에서 로봇을 날리기 위한 중요한 단계였다”고 설명했다.
연구진은 미세한 전기발광입자를 인공 근육에 넣어 목표를 달성했다. 이 프로세스는 로봇의 비행 성능에 영향을 주지 않는 가운데 중량의 2.5%만 늘어나게 했다. 이 연구는 최근 IEEE 로보틱스 및 자동화 레터에 발표됐다.
이전에 이 연구진은 로봇이 날개를 퍼덕일 수 있도록 부드러운 인공근육을 만드는 새 제조 기술을 시연했다. 내구성 있는 액추에이터(actuator)는 초박층의 탄성중합체 및 탄소나노튜브 전극을 스택 안에 교대로 끼운 다음 스쿼시 실린더에 말아 만든다. 실린더에 전압이 인가되면 전극이 탄성중합체를 누르고 기계적 응력으로 날개가 퍼덕이게 된다.
발광 액츄에이터를 제작하기 위해 연구진은 탄성중합체에 발광 황산아연 입자를 결합했지만 여러 가지 난제를 극복해야 했다. 특히 빛을 차단하지 않는 전극을 만들어야 했다. 이 전극은 두께가 몇 나노미터밖에 되지 않아 빛이 통과할 수 있는 매우 투명한 탄소나노튜브를 사용해 제작했다.
아연 입자는 매우 강하고 주파수가 높은 전기장이 있는 경우에만 빛을 발한다. 이 전기장이 아연 입자 내의 전자를 자극해 광자로 알려진 빛의 아연 원자 입자를 방출한다. 연구진은 고전압을 이용해 소프트 액츄에이터에 강력한 전기장을 만든 다음 로봇을 고주파로 구동해 입자가 밝게 빛나게 할 수 있었다.
액츄에이터를 만들면서 연구진은 아연 입자를 첨가하면 품질이 저하돼 더 쉽게 분해된다는 것을 발견했다. 이를 피하기 위해 아연 입자를 상단 탄소중합체 레이어에만 넣었다. 출력 전력의 감소를 위해 이 층을 몇 마이크로미터 더 두껍게 만들었다. 이 때문에 액추에이터는 2.5% 더 무거워졌지만 비행 성능에 영향을 주지 않고 빛을 방출할 수 있었다.
아연 입자의 화학적 결합을 조정하면 빛의 색이 바뀐다. 연구진은 제작한 액추에이터로 녹색, 주황색 및 파란색 입자를 만들 수 있었다. 또, 액츄에이터가 다양한 색깔의 패턴화된 빛을 방출할 수 있도록 제조 공정을 바꿨다. 연구자들은 제일 윗층에 작은 마스크를 씌우고, 아연 입자를 첨가한 다음, 액츄에이터를 조정했다.
제조 공정을 마무리한 후 연구진은 액츄에이터의 기계적 특성을 테스트하고 발광 측정기를 사용하여 빛의 강도를 측정했다. 이어 특수 설계된 동작 추적 시스템을 사용해 비행 테스트를 실시했다. 각각의 전자식 발광 액추에이터는 아이폰 카메라를 사용해 추적할 수 있는 활성 마커로 활용된다. 카메라가 빛을 감지하고, 개발한 컴퓨터 프로그램이 로봇의 위치와 자세를 최첨단 적외선 모션 캡처 시스템을 통해 2mm 이내로 추적한다.
연구진은 앞으로 로봇을 실시간으로 추적할 수 있도록 동작 추적 시스템을 개선할 계획이다. 로봇이 조명을 켜거나 끄고 실제 반딧불이처럼 의사소통을 할 수 있도록 제어신호를 통합하는 작업을 진행하고 있다. 또 전자발광으로 인공근육의 일부 속성을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 대해서도 연구하고 있다.
AI타임스 이한선 객원 기자 griffin12@gmail.com
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