2014 KISTI 미래유망기술 10선 : 생체모방로봇 Biomimetic Robot 박종원 유재영 이준영 이 수 진 한국과학기술정보연구원
2014 KISTI 미래유망기술 10선 : 생체모방로봇 Biomimetic Robot 박종원 유재영 이준영
저자소개 박종원 KAIST 기계공학과연구원유재영 KISTI 기술정보분석센터책임연구원이준영 KISTI 미래기술분석실선임연구원 2014 KISTI 미래유망기술 10 선 : 생체모방로봇 2015 년 1 월 30 일인쇄 2015 년 1 월 30 일발행 발행인 _ 한선화지은이 _ 박종원, 유재영, 이준영펴낸곳 _ 한국과학기술정보연구원주소 _ ( 분원 ) 서울특별시동대문구회기로 66 ( 본원 ) 대전광역시유성구대학로 245 전화 _ 02-3299-6066 팩스 _ 02-3299-6117 ISBN_ 978-89-294-0654-7 93500 이책은저작권법에따라보호받는저작물이므로무단전재와무단복제를금지하며, 이책내용의전부또는일부를이용하려면반드시저작권자와한국과학기술정보연구원의서면동의를받아야합니다. 이글의내용은필자의견해이며, 한국과학기술정보연구원의공식적인의견이아님을밝힙니다.
머리말 지식과정보가국가의경쟁력을좌우하는지식기반산업사회로접어들면서, 세계는이미각분야에서최고가아니면살아남을수없는무한경쟁의장소가되었습니다. 이러한변화속에서선진각국가들은미래유망기술을발굴, 선정하여국가역량을집중함으로써차세대국가경쟁력을확보하려는여러가지노력을기울이고있습니다. 우리나라에서도과학기술을통한국가경쟁력확보와미래먹거리창출을위해각분야마다유망기술을발굴하여산업화하고자하는관심과열망이어느때보다커지고있는가운데, 한국과학기술정보연구원에서는지난 2005년부터미래유망기술을예측하고발굴하기위한일련의연구를지속적으로수행하여왔습니다. 2012년부터는미래기술을총망라한지식베이스를구축하여미래기술탐색체제의토대로활용하고있습니다. 본보고서는 KISTI 미래기술탐색체제를가동하여전세계적으로수집된 8,000여개의유망기술후보군기반의미래기술지식베이스를정밀검증하여압축된 600여개의기술중트렌드부합성과트렌드변화와연동된급부상성, 향후산업적파급력등에대한전문가평가를거친 2014 KISTI 미래유망기술 10선 의 R&D 동향보고서입니다. 미래유망기술 10선의개별기술에대한이해를돕고자집필된것으로, 모쪼록본보고서가관련과학기술정보를국내에확산시키고, 미래유망기술의전략적육성을위한산 학 연 관각계각층의연구개발활동에가치있게활용되기를희망합니다. 마지막으로본보고서를집필한저자들의노력에감사드리며, 보고서에담긴분석내용은저 자의개인의견이고, 한국과학기술정보연구원의공식의견이아님을밝혀둡니다. 2014 년 12 월 한국과학기술정보연구원 원장한선화
생체모방로봇 차례 제 1 장서론 연구의필요성 KISTI 미래기술탐색체제 2014 KISTI 미래유망기술 10 선제 2 장생체모방로봇기술이란? 제 3 장생체분석방법의다양화 관찰 생체모방로봇기술 최신기술동향 주사전자현미경 풍동실험장치 고속카메라 해부 X-ray 모션캡쳐 제 5 장지상생체모방로봇 휴머노이드 제 4 장새로운물질, 새로운제작방식 경량화재질 유연한물질 초소형화기술 3D 프린팅기술 생체모방구동기 공압구동기 4 족로봇 6족로봇 다족로봇 뱀형로봇 고속주행로봇 제 7 장수중생체모방로봇 AquaRay AquaPenguin AquaJelly 제 6 장공중생체모방로봇 SmartBird 장수풍뎅이 Mobee AirPenguin Nano Humming Bird ibird AirJelly Airacuda 익투스 Robofish G8 Robolobster Aqua Rhex 참고문헌 제 8 장실용화 Rhex series Robotic fish SmartBird Nano Humming Bird
제 1 장 서론 연구의필요성 KISTI 미래기술탐색체제 2014 KISTI 미래유망기술 10 선
서론 1) 연구의필요성 생체모방로봇 남이가지않은길을앞서나가려고하면필연적으로불확실성과위험이따르기마련이고, 이런상황에서합리적인선택을뒷받침할수있는 신뢰할수있는정보 의가치는매우크다. 이때, 관련정보를얻기어렵고, 그러한정보를종합하여판단하기어려운상황이라면공신 력있는기관에서이미일정한 판정 을내려준정보를활용하는것이상당한유용성을갖는다 고볼수있다. 그러나정보에대한 판정 에는일정한관점과가치가반영되므로이러한정보 에담긴다양한 성분 을유의깊게살펴보고나서, 거기에담긴정보를활용해야한다. 최근국내외주요기관에서 미래사회전망, 미래기술예측, 유망기술선정 등의활동을경 쟁적으로확산시키고있다. 이러한활동의결과물로각종 미래기술정보, 미래기술아이템, 유망기술아이템 들이쏟아져나오고있으며, 이들은대개사회적트렌드를반영하고, 미래 성장성과파급효과가높은것들로이루어져있다. 그런데이러한 미래기술정보 는정보생산 주체의향후사업 / 투자계획의방향설정을위한일종의근거자료로서산출되는경우가많아, 사전기획활동과관련된주체의목표와가치가반영되게마련이다. 따라서관련주체에서제 공하는정보가생성된맥락과이용자의맥락은서로차이날수밖에없으며, 이용자들은자신 이처한환경에서각자의판단을위해 탐색 (scanning, monitoring) 한정보를더중요하게 여기게된다. 1) 본보고서의서론은 KISTI 기술정보분석센터에서발간한 미래기술백서 2014 와이준영, KISTI 미래기술탐색체제, ie 매거진 19 권 3 호 (2012) 를보완 가공하였음. 10
그러나대다수의이용자들이미래기술정보를탐색하여앞날을전망하기란쉬운일이아니다. 우선, 이용할수있는정보가제한적이고, 핵심정보를효율적으로취사선택하여이를평가하는데에는전문성이확보되어야하기때문이다. 이용자개개인은연구자, 연구그룹, 연구기관, 기업, 국가등각주체들이각기다른목적을가지고탐색하여제공한 미래기술정보 결과를무조건수용할수도없고, 그렇다고이용자스스로 미래기술정보 를탐색하기도어려운실정인것이다. 이용자역량의한계뿐만아니라, 현재각기관에서생성된미래기술정보역시, 정보의생성및생성된정보의지속적인유지 관리측면에서보았을때, 한계가드러난다. 미래기술을예측하고전망할때에, 각단계마다다양한정보와이를해석하기위한다양한방법을결합할수있는데, Popper 2) 는이를 4개의예측원천으로유형화하여구분하였다 ( 그림 1). 그림 1 예측의원천에따른미래기술예측기법의유형분류 2) (1) 전문성 (expertise) 은개별전문가들의숙련지식에기반을둔의사결정을활용하는방법, (2) 상호작용 (interaction) 은전문가들간, 또는비전문가들과의민주적참여와교류를활용하는방법, (3) 창조성 (creativity) 은뛰어난식견을지닌개별전문가의통찰력, 천재성을활용하는방법, (4) 증거 (evidence) 는신뢰성있는문헌, 통계, 지표등의분석방법들을가리킨다. 이상적으로는이러한방법들이자료수집 / 분석 종합 / 모델링 우선순위 / 선정 세부전 서론 2) Popper, R., 2008, How are foresight methods selected foresight 10, pp. 62-89. 11
략기획등의단계에서체계적으로결합 (Koivisto 3), 2009) 되어야하나, 실제현실에서는특정방법론을중심으로진행되거나, 단계가생략된다는문제점이나타나기마련이다. 한국의미래기술예측및전망활동을위의맥락에서살펴보면, 광범위한사전탐색활동이존재하지않는점이두드러지는것을알수있다. 이는한국에서수행되는일련의활동이주로단기적인결과물산출을위해구성된전문가위원회중심으로진행되는데서기인하기때문으로볼수있다. 따라서미래예측 / 전망이철저한자료조사 / 분석결과보다는참여한전문가의 전문성, 통찰력 에과도하게의존하는경향이있고, 활용되는자료나정보또한참여한전문가들의정보력에만국한되어지나치게주관적인견해에좌우된다. 이는최근세계각국에서미래기술예측에광범위한사전탐색 (horizon scanning) 개념을도입하고있는추세와큰차이를보인다. 특정전문가의시각에만편중된미래기술탐색활동은시시각각으로변하는관련정보와괴리될가능성이높으며, 많은비용과시간, 인력을동원하여도출한아이템의활용성도시간에따라점차낮아지게마련이다. 이와같은전문가편향성, 정보갱신의어려움등의문제를개선하고자 KISTI의미래기술탐색활동은 (1) 문헌계량분석기반의유망기술영역탐지, (2) 미래기술지식베이스기반모니터링시스템을활용하여수행되고있으며, 이번 2014년에발표한미래유망기술은지난 2012 년도부터구축한 미래기술지식베이스 기반의 KISTI 미래기술탐색체제를본격적으로가동하여도출되었다. KISTI 미래기술탐색체제 생체모방로봇 KISTI 는 20 년가까이전세계과학기술동향에대한모니터링정보 ( 글로벌동향브리핑, GTB) 를수집 생성해오고있다. GTB 정보는전세계에분산된 100 여명의전문리포터체제를 가동하여생성되며, 이들은주요과학기술동향정보의게이트키핑 (gate-keeping) 역할을통 해전세계주요정보를신속히선별하고, 이를우리말로가공하여한해 7~8 천여건 ( 누적 20 만여건 ) 이상의정보를구축한다. 현재 GTB 는한해신규정보에대한조회건수가매년 200 만회를상회할정도로인기있는콘텐트이지만, 정보가지나치게 시드형 (seed) 에가까운 날 것 (raw data) 이라는지적을받아왔다. 이러한비판에직면하여 KISTI 기술정보분석센터는 2007 년도부터내부에 NEST(New Emerging Science and Technology) 체제를시범구축하고, GTB 를포함한각종 seed 형동 3) Kolvisto, R., Wessberg, N., Eerola, A., Ahlqvist, T., Kivisaari, S., Myllyoja, J., Halonen, M., 2009, Integrating future-oriented technology analysis and risk assessment methodologies, Technological Forecasting and Social Change 76, pp.1163-1176. 12
향정보를주기적으로분석하여주요시그널을탐색하고, 여기서발굴된정보를매년 KISTI 유망기술선정작업에반영해왔다. 그러나 NEST 는내부분석체제에머무르고, GTB 는계속 해서 날것 그대로이용자에게제공되는상황이지속되었다. 그림 2 미래기술지식베이스 구축프로세스 이러한상황을개선하고자, 2012년 KISTI 기술정보분석센터는 GTB를포함하여 KISTI에서생성되는각종과학기술모니터링정보 1만 5천건을국내외유수기관에서이미선정한미래기술아이템들과매칭하는작업을수행하였다. 앞서말했듯이현재국내외여러기관들에서선정 발표한미래기술아이템은매우다양하며, 이들아이템에는각기관이 미래기술 또는 유망기술 로서평가한고유기준에따른관점과가치관이투영되어있다. 그러나제반여건과관련상황이시시각각으로변하므로미래기술아이템들은발표이후에는계속해서불확실한환경변화에놓이게되고, 당연히선정당시적용한기준과관련정보들도변할수밖에없게된다. 따라서유망기술로주목받는아이템들의변동상황에대해지속적이고상시적인모니터링을할필요가있는것이다. 이를위해 KISTI 기술정보분석센터는지난 2012년, 최근 5년간미국의 MIT와테크캐스트 (TechCast), 일본의과학기술정책연구소 (NISTEP), 영국의시그마스캔 (Sigma Scan) 등을비롯한국내외주요기관에서발표한미래기술아이템약 7,300여건을망라적으로수집하였다. 그리고유사아이템들을압축하여 어젠다대응성, 기술실현시기 (5-10년), 국가전략적중요성, 시장확대가능성 등의선정기준에따라 500대기술로선별 / 압축하는작업을수행 서론 13
하였다 ( 그림 2). 그후로매년지속적으로 50여개기술을추가하고, 기존기술을재검토하여 2014년현재, 최종적으로 590대기술에대해 미래기술지식베이스 를구축하고, 기술의개요, 기술성, 시장성, 계량분석결과, 관련모니터링정보로구성된기술정의서를각아이템별로정리하여공개하고있다 ( 그림 3). 그림 3 미래기술지식베이스 기술정의서내용 미래기술지식베이스 는국내외각기관에서발표한최신미래기술을선별하여핵심정보 를체계적으로수집 분석하고, 미래기술에대해일목요연하게참조할수있는기능을제공 하며, 해당미래기술아이템에대한환경변화를지속적으로모니터링하는플랫폼역할도한다. 그림 4 KISTI 미래기술탐색체제 생체모방로봇 14
2014 KISTI 미래유망기술 10 선 2014년도미래유망기술 10선은지난 2012년부터지속적으로구축해온미래기술지식베이스기반의 KISTI 미래기술탐색체제를본격가동하여도출하였다. 먼저국내외유수기관들이주목하는미래기술의망라적정보 ( 미래기술디렉토리 ) 를활용하고, KISTI 자체논문 특허정보분석시스템을활용한유망연구영역정보 ( 매크로모니터링 ), 글로벌트렌드및이슈기술분석결과 ( 글로벌동향브리핑, 이슈기술프리즘 ) 를종합하여약 8,000여개의유망기술후보군을확보하였다. 이어서후보기술군은해당기술의추세파악을위한 미래기술스코어보드 및미래기술지식베이스의종합분석정보를결합한정밀검증과정을거쳐 600여개기술로압축하였다. 마지막으로트렌드부합성 ( 국가적미래상, 사회메가트렌드, 기술메가트렌드를결합 ) 과트렌드변화와연동된급부상성, 향후사회 경제적파급력등에대한전문가평가를거쳤다. 그림 5 2014 KISTI 미래유망기술 10 선도출프로세스 미래유망기술도출의핵심기준가운데하나인트렌드부합성을파악하기위하여국가적미래상과사회메가트렌드에부응하는기술적변화상 ( 기술메가트렌드 ) 을살펴보았다. 이를위해, 국가적미래상으로미래기술지식베이스에서도활용된국가중점과학기술 5대목표인 건강한사회, 스마트한사회, 창의적융합사회, 안전한사회, 지속가능한자연과사회 를설정하였다. 사회적메가트렌드측면에서는미래사회니즈 (needs) 로서도시화, 세계화, 연결 서론 15
성및융합화, 디지털화가속, 지능화, 개인화, 지속가능성을설정하고, KISTI가지난 9년간선정 발표한미래유망기술을매핑하였다. 그결과, 기술메가트렌드로 생체모방연계기술, 인간복지기술, 체험중심기술부상, 클라우드환경제공, ICT기반융복합기술, 안전및보안기술, 고효율및친환경기술지속성장, 투명화및경량화 등을도출하였다. 그림 6 국가적미래상과사회메가트렌드에일부투영된기존 KISTI 선정미래유망기술 (2007-2013 년 ) 그림 7 기술메가트렌드와 2014 KISTI 미래유망기술 10 선 생체모방로봇 16
표 1 2014 KISTI 미래유망기술 10 선 번호미래유망기술기술정의 1 4D 프린팅 (4D Printing) 다중적 3D 프린팅을통해복합물질을형성하고자가변환 (self transformation) 이라는새로운기능을삽입하는기술로, 인간의개입없이가열, 진동및중력부터공기역학까지각기다른에너지원천에의해자극을받아자가조립이가능한기술 2 3 4 5 6 7 8 9 10 클라우드환경보안기술 (Cloud-Based Security) 광유전학기술 (Optogenetics) 리튬 - 황전지 (Lithium-Sulfur Battery) 생체모방로봇 (Biomimetic Robot) 자가면역질환치료기술 (Autoimmune Disease Therapeutics) 지능형교통시스템 V2X 기술 (Intelligent Transport System) 학습분석기술 (Learning Analytics) 무인수송기술 (Unmanned Vehicles) 메타물질응용기술 (Metamaterial Application) 클라우드컴퓨팅환경에서해킹, 바이러스등으로인해사용자의개인정보누출 훼손 ( 개인적차원 ), 서비스접속지연 중단 ( 조직적차원 ) 등의문제를사전에예방하기위한보안기술 빛을이용하여유전적으로조작된신경세포를선택적으로흥분혹은억제시키는방법을이용한기술 양극 (cathode) 에황나노물질을이용하여음극 (anode) 에서리튬과결합해 Li2S 를형성하며고용량및안전성이확보된전지기술 인간을비롯한동물이나곤충, 물고기등의기본구조, 원리및매커니즘을모방하여생활에필요한도구나신기술을만들어내는기술로산업, 군사, 환경등전분야에서활용됨 인체의면역체계 ( 면역세포 ) 가이상을일으켜자신의세포나조직을적으로인식하여공격하는자가항체를만들고, 그로인해염증이일어나는자가면역질환 (Autoimmune disease; 류마티스성관절염, 전신홍반성루푸스, 강직성척추염, 다발성경화증, 건선, 천식, 궤양성대장염, 아프타구내염, 난치성갑상선질환, 1 형당뇨병, 원형탈모등 100 여가지질병 ) 을치료하는기술 차량이주행하면서도로인프라및다른차량과지속적으로상호통신하며교통상황등각종유용한정보를교환및공유하는기술 학습분석기술은학생으로부터발생하는산발적인데이터들을실시간으로분석하고, 이를통해효과적인학습모델을구축하는기술 자동차, 비행기, 배등에사람이타지않고원격으로조종하여운행하는무인자동차, 무인항공기, 무인선박기술로농수산업, 물류배송등실생활에적용하여편의성을증대시키는기술 자연계에존재하지않는물리적광학적특성을구현하기위해빛의파장보다매우작은크기로만든유전물질과금속으로설계한메타원자 (Meta Atom) 를이용한소재로이미징, 에너지, 의료, 통신, 국방, 위성등다양한산업에응용하는기술 5대국가미래상별로 2개기술이선정되었는데, 건강한사회에서는 자가면역질환치료기술 과 광유전학기술, 스마트한사회에서는 생체모방로봇 과 학습분석기술, 창의적융합사회에서는 클라우드환경보안기술 과 4D 프린팅, 안전한사회에서는 무인수송기술 과 지능형교통시스템 V2X 기술, 지속가능한자연과사회에서는 리튬황전지 와 메타물질응용기술 이다. 각기술별간략한기술정의를 [ 표 1] 에나타내었으며, 본보고서에서는 생체모방로봇기술 에대해자세히살펴보고자한다. 서론 17
제 2 장 생체모방로봇기술이란? 생체모방로봇기술 최신기술동향 19
생체모방로봇기술이란? 생체모방로봇기술 생체모방로봇 뉴턴으로부터시작된고전역학적지식을바탕으로인류는산업 / 과학혁명을거치면서기계, 전자, 재료등의과학기술을지속적으로발전시켜왔다. 과학기술은물리적이론의제시, 실험적증명그리고제품화에이르는일련의단계를거치면서발전하였으며그효과는전세계에전파되어인류는물질적풍요, 건강, 삶의편의성에이르는혜택을누리게되었다. 그러면서과학기술을중심에두고자연을개발의대상으로여기는서구적, 인간중심적사상이보편화되었다. 20세기후반에들어서면서이러한과학기술발전은다양한한계에부딪히게되었고더이상의획기적인진전을기대하기어려웠다. 이때자연으로눈을돌려생물의특징을찾아새로운기술의도약을꾀하려는 생체모방 기술이등장하였다. 기존에자연을호기심및개발의대상으로여기던사고방식에서자연에서보고배우며해결책을찾는새로운사고방식이출현한것이다. 새로운사고방식은기초과학에서부터응용과학으로까지확장되어현재는인류가접하는많은부분에생체모방기술이활용되고있다. 그림 8은게코도마뱀특유의접착능력을분석하고모방하여제작한건식접착패드이다. 게코패드는기존의접착방식에비하여접착물질의도움없이쉽게접착이가능하다. 이밖에도상어의피부돌기를응용하여제작된저마찰수영복, 공기저항력을최소화한자동차구조등이그대표적예시들이다. 생체모방기술은산업용로봇으로대표되는따분하고딱딱한로봇연구분야에도활력을불어넣고있다. 생물체는수억년의시간동안지구의가혹한환경에적응하면서다듬어져온최적화된작품으로서, 인간이개발한기계시스템에비하여 20
그림 8 게코도마뱀을모방한건식접착패드 출처 : http://www.snu.ac.kr 독창적이며효율적이다. 따라서다양한생체모방로봇개발모티브가되고있다. 생체모방로봇기술은국내 / 외에서아직탐색연구단계에머무르고있는분야로서, 새로운아이디어의발굴과연구개발이활발히진행되고있으며앞으로의발전가능성이큰분야로평가되고있다. 본보고서에서는생체모방로봇기술의국내 / 외현황과, 요소기술을분석하고최신동향에대해서기술하도록하겠다. 최신기술동향 생체모방로봇기술은현재국내 / 외에서활발히연구가진행중이다. 생체모방로봇기술의 동향을큰줄기로나누면생체분석법의다양화, 신물질과새로운제작방식의적용, 모방대상 의다양화그리고실용화로구분할수있다. 생체분석법의다양화생체만의고유한특징을찾아내는데다양한기법이활용되고있다. 관찰및실험과더불어, 나노구조를촬영할수있는 SEM, 유체거동을측정하는풍동시험기, 빠른움직임을포착해낼수있는고속카메라, 내부를들여다볼수있는 X-ray 장비등의다양한접근법이활용되고있다. 생체모방로봇기술이란? 21
신물질과새로운제작방식의적용다양한물질과제작방식의적용이새롭게시도되고있다. 경량화를위해서탄소복합재, 폴리우레탄폼등이사용되고있으며, MEMS를비롯한초소형화기술, 3차원프린팅기술이사용되어제작기간을줄일수있게되었다. 최근에는부드러운재질을사용하여새로운개념의로봇들이시도되고있다. 모방대상의다양화모방대상의영역이차츰넓어지고있다. 지상로봇으로는다양한방식의걸음걸이에대한연구가활발히진행중이며공중로봇은고정익구조에서벗어나날갯짓비행체로의연구가진행중이다. 수중로봇으로는뱀, 해파리, 가오리, 펭귄등다양한생물체모사가시도되고있다. 실용화생체모방로봇기술은그동안대부분기초연구수준에머무르며기술성숙도가낮아적당한활용처를찾지못했던것이현실이다. 하지만지속적인연구투자의결과, 최근에는실험실을벗어나실용화단계에진입하고있다. 생체모방로봇 22
제 3 장 생체분석방법의다양화 관찰주사전자현미경풍동실험장치고속카메라해부 X-ray 모션캡쳐 23
생체분석방법의다양화 생체모방로봇기술의발전은다양한생체분석방법의진화를촉진시키고있다. 과거에는생물체의움직임을눈으로확인하고단순한형태를흉내내는데그쳤다면, 현재는생체의고유한특징을찾아내고자다양한기법이활용되고있다. 여기에는전통적인관찰및실험과더불어, 나노수준의미세한구조를촬영할수있는 SEM 장비, 생물이움직일때발생하는유체거동을측정하는풍동시험기, 빠른움직임을포착해낼수있는고속카메라, 내부장기를들여다볼수있는 X-ray, 모션캡처장비등의다양한접근법이활용되고있으며앞으로더다양한분석법이활용될것으로전망된다. 관찰 생체모방로봇 모방하고자하는생물체의관찰과실험은모방대상의특징에관한정보를획득하는데쓰이는가장기초적인방식이다. 이방식은비용과시간이상대적으로적게들며직관적이고생물의외형적특징, 행동패턴등의정보획득이가능하다. 그림 9에제시된사진은바퀴벌레를모사한 Whegs로봇제작과정의일부이다. 연구팀은바퀴벌레의관찰을위하여초소형트레드밀과정밀비디오측정장비를동원하였다. 이를기반으로하여실제바퀴벌레의외형적특징부터, 속도와지형에따라바퀴벌레가사용하는다리의움직임, 6개의다리를순간적으로배치하는방식등을기록하였다. 또한바퀴벌레가경사로를이동하는방식및좁은통로를헤집고다니는방식등에대한자세한데이터를확보하여 Whegs 로봇의개발에활용하였다. 이밖에도생물체에따라적합한관찰방식은현재도다각도로개발중이다. 24
그림 9 바퀴벌레다리의구조, 보행패턴및지형이동방식 출처 : Robotics and Automation, 2004. 주사전자현미경 그림 10 게코도마뱀의 SEM 이미지 출처 : http://www.bbc.com 곤충발끝의구조, 게코도마뱀발바닥의섬모, 연잎의표면, 상어의피부패턴등은광학현 미경으로볼수없는나노스케일의미시구조를가지고있다. 이렇게매우작은구조에대한 생체분석방법의다양화 25
분석을위하여대표적으로사용되는장비는주사전자현미경이다. 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope : SEM) 은가느다란전자빔을시료표면에주사하여 2차전자를발생시켜입체감있는표면이미지를획득하는장비이다. 생체모방로봇분야에는생물미세구조의표면형상및크기의관찰에많이쓰이고있다. 풍동실험장치 그림 11 풍동실험장치에서의잠자리공력해석 출처 : Oxford University 생체를모사한날갯짓비행체의개발을위해선생물체의비행특성및에너지효율, 날개로인해생성되는와류등의정보가필요하다. 따라서생체날갯짓의공력해석을용이하게수행하고기록할수있는실험장비가필요하다. 풍동은모터를구동시켜공기의흐름을인위적으로발생시키는장치다. 풍동을통해고정된물체주위에일정한속도의공기흐름을유도하여동일한속도로나는생물을모사함으로써생체에작용하는날개주변의공기흐름을관찰할수있다. 그림 11과같이풍동은새나곤충과같은날갯짓생체모방연구에적극적으로적용되고있으며, 제작된비행로봇과생체의공력특성의비교분석에도활용되고있다. 고속카메라 생체모방로봇 동물이달릴때발을딛는위치, 벼룩이도약하는자세등의순간적움직임은생체모방로봇의개발에중요한정보를제공한다. 이를기록하고정확한분석을위하여고속카메라가널리활용되고있다. 카메라기술의발전으로최근에는 10,000 프레임 / 초이상의성능을가지는고속디지털카메라가순간적으로일어나는생명현상이나운동에관한연구에적용되고 26
있다. 그림 12 는벌새가다양한각도로꽃에있는꿀을빨아먹는장면이다. 벌새의날갯짓과 공중에서의기동은육안이나일반카메라로분석하기힘들정도로빠르기때문에고속카메라 를활용하여분석하였다. 그림 12 벌새의고속카메라영상 출처 : Functional Ecology 해부 그림 13 고릴라근골격구조 출처 : www.bbc.co.uk 생체모방로봇연구의출발점은생체가어떻게움직이는지파악하는것이다. 생물체를절 개하여내부구조를확인할수있는해부는생체모방작업에가장직접적이고확실한정보를 생체분석방법의다양화 27
얻을수있는방법이다. 초창기생체모방연구에서는단순히동물의겉으로드러난운동패턴을모방하는경우가많았다. 하지만동물의내재적특성을명확히반영하기어려움으로인하여근래에는실제동물의골격구조, 골격을감싸고있는근육, 인대구조를바탕으로정확한운동메커니즘을파악하는데에연구를집중하고있다. 해부를통해근골격구조및내부장기배치, 주요기관의물성치등을파악하여생체를더욱정확히이해함과동시에생체모방메커니즘제작에있어중요한정보를확보할수있다. X-ray 그림 14 파리의 X-ray 이미지 출처 : Cornell University 해부는가장직접적인정보를전달하지만많은경우에있어서제약이따른다. 해부는소형생물을대상으로하기에부적합하며, 생물이살아있을경우수행하는것이불가능하다. 또한해부를할경우원래의형태를훼손하게되는단점도있다. X-ray는생체내부골격의구조, 주요장기의위치등을확인하는데널리쓰이는기법이다. 해부와달리생체를파괴하지않으면서구조를확인할수있으며비교적단순하고저렴한비용으로이미지획득이가능하다. 따라서생물이움직이는동안의모습이나소형생명체, 외골격생물등의정보획득에용이하게쓰이고있다. 생체모방로봇 모션캡쳐 영화산업에서태동한모션캡처장비는동물의정확한움직임을파악하는데활용되고있다. 고속카메라는빠른움직임의촬영이가능하지만 2 차원데이터만제공하며, 생체각부분의 28
정확한이미지프로세싱등의후처리기술을필요로한다. 반면모션캡처장비는 2차원영상과더불어각관절의각도, 속도, 가속도등의 3차원데이터를실시간으로제공함으로써정밀한생체데이터확보를가능케한다. 그림 15는개의운동분석을위하여주요부위에마커를달고모션켭쳐를진행하고있는장면이다. 근래에는초소형마커의개발및모션분해능이증가하여소형생명체의분석에요긴하게쓰이고있다. 그림 15 모션캡처장비 출처 : Ohio state University 생체분석방법의다양화 29
제 4 장 신물질과새로운제작방식 경량화재질 유연한물질 초소형화기술 3D 프린팅기술 생체모방구동기 공압구동기 생체모방로봇
신물질과새로운제작방식 기존의전통적인기계제작방식에서벗어나다양한물질과제작방식의적용이시도되고있다. 실제생체처럼가벼운경량구조를위해서카본, 폴리우레탄폼등이사용되고있으며, 소형로봇구조제작을위해 MEMS를비롯한초소형화기술, 전통적방식으로제작이불가능한복잡한구조의 3차원프린팅기술등이사용되어제작방식및제작기간을줄일수있게되었다. 최근에는소프트한재질을사용하여생체의유연성을모사하려는로봇들이시도되고있다. 경량화재질 생체모방로봇 생체모방로봇의개발초기단계에서는생명체의형태적인모사에기반하여기존의기계시스템과같이알루미늄합금과같은강체기반의재료를깎아서주로제작하였다. 이러한재료는생체시스템에비하여밀도가높고생물과같이복잡한형상구현이힘들었다. 따라서시스템의무게를줄여효율을높이는경량화재질및구조의필요성이증대되었다. 특히비행로봇은경량화가중요한이슈이며가벼우면서도튼튼하고유연한구조를필요로한다. 이러한필요에의하여강철보다단단하면서가벼운탄소섬유, 유리섬유, 그리고밀도가굉장히낮은폴리우레탄폼등의물질이개발되었으며이들을조합하고가공 / 제작하는기술이발전하고있다. Festo에서개발한 SmartBird는경량화를위해내부뼈대는카본복합재료를사용하여최소한의조인트로제작하였고, 외형은폴리우렌탄폼을활용하여제작하였다. 하버드대학의파리로봇 Mobee의날개뼈대는카본복합재료, 날개는에폭시필름을사용하여초경량화날개구조를구현하였다. 이처럼신물질들의사용및제작방식이보편화되면서최근에연 32
구되고있는생체모방로봇은점차경량화되는추세이다. 그림 16 SmartBird 출처 : Festo 유연한물질 그림 17 Soft 로봇 출처 : Harvard University 전통적인강체기반로봇시스템은외부충격을받았을때쉽게파손된다. 따라서주변환경및사용자와의접촉시힘제어문제가발생한다. 또한로봇의변형및부피의변화가불가능하므로생체와같은유연한움직임을만들어낼수없다. 반면생체와같이유연한물질을사용할경우위와같은단점의해결가능하다. 고분자를활용한소프트로봇의경우내충격력이강하며내재적인유연성으로인하여주위환경및사용자와의접촉에유리하다. 최근에는유연한재질을사용하여계란에서부터드라이버에이르기 신물질과새로운제작방식 33
까지다양한종류의사물을파지할수있는로봇핸드, 공기의압력에따라형태가바뀌는로 봇, 실제문어처럼유연한움직임이가능한인공촉수등의개발이진행되고있다. 초소형화기술 그림 18 초소형비행로봇 출처 : Harvard University 인간이아직모사하지못하는생물체만의독특한특성중에는마이크로, 나노구조물로인해발현되는것들이많다. 또한초소형사이즈의로봇제작에있어서기존의가공방식으로는해결하기어려운난제가많이있었다. 반면반도체공정기술이축적되면서 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), NEMS(Nano Electro Mechanical Systems) 기술의발전은이러한초소형로봇시스템의제작을가능케하였다. 이러한예로, 게코도마뱀의발바닥섬모의나노-마이크로스케일의계층적구조를모사한 Stickybot, 하버드대학의로봇파리의몸체를제작에활용된 SCM(Shape Composition Manufacturing) 이있다. 초소형화제작기술은모방생체의범위를확장하여생체모방로봇기술의발전을가속시키고있다. 3D 프린팅기술 생체모방로봇 생체의독특한기관중에는기존의가공방식이나초소형화기술로도제작이불가능한경우가많다. 예를들어마이크로로봇의초소형날개제작에는작고얇은날개제작을위한초소형화기술외에도 3차원으로배열된혈관, 날개의구부러진각도등을재현하는기술이필요하다. 3D프린팅기술은기존의제작방식에서불가능했던부품의가공을가능하게해주어 34
생체모방로봇개발에큰자유도를부여하고있다. 생체모방로봇의제작에있어서또다른걸림돌은생체의특정움직임을모사한기계부품을구하기힘든경우이다. 특히소량의부품을전통적방식으로제작할경우비용과공정시간이많이소요되는단점이존재한다. 이러한상황에서 3D 프린팅기술은저렴한비용으로필요한부품을직접제작할수있게한다. 최근에는플렉서블한재질의프린팅과, 다양한기계적특성을가지는물질을혼합하여복합적인부품의제작이가능해짐에따라 3D 프린팅기술은더욱각광받고있다. 그림 19 3D 프린팅으로제작된소형비행로봇 출처 : Cornell University 생체모방구동기 로봇시스템을구동하는데가장널리이용되는것은모터나엔진과같은회전식구동기이다. 회전식구동기는대부분토크가낮아큰기어비를가지는감속기를필요로한다. 또한생체와같은직선움직임을모사하기위해회전운동을직선운동으로변환해주는장치도필요하다. 또다른문제는로봇이주위환경과갖는상호작용에서발생한다. 큰감속기, 직선운동변환장치등은역회전성 (backdrivability) 이낮아주변환경이나사물과접촉하였을때큰충격을발생시킨다. 반면생체시스템을구성하는근육구동방식은직선운동을하고, 감속기가필요없으며큰역회전성을지니고있어높은안정성을보인다. 따라서생체모방로봇의제작에있어서근육을모사한구동기를개발하고자많은연구가이루어져왔다. 특히전기적자극을가했을때길이나부피가늘어나거나줄어드는물질은인공근육과같은생체모방구동기로서가능성이높아큰관심을모으고있다. 생체모방구동기 신물질과새로운제작방식 35
의주요재료로사용되는것은 EAP(Electro-Active Polymer) 다. EAP는전기장혹은이온에의해작동한다. 전기장에의한 EAP에는압전 (Piezoelectric), 전왜 (Electrostrictive), 강유전성 (Ferroelectric) 의재료가있으며, 이온에의한것은전기장이가해졌을경우이온교관이나내부이온편류에의하여수축과팽창이발생하는것으로고분자젤 (Ionic Polymer Gel), IPMC(Ionic Polymer Metal Composite) 등이있다. IPMC는낮은전기장인가시큰변형을내어무소음수중로봇, 산호초의섬모, 날갯짓로봇등의개발에사용되고있다. 그림 20 JamBot 출처 : irobot 형상기억합금 SMA(Shpae Memory Alloy) 는전류가흐를경우단위무게대비큰힘을발 생하는구동기로서설치및사용이단순하여다양한소형로봇의개발에널리쓰이고있다. 그림 21 SMA 구동로봇 생체모방로봇 출처 : UC Berkeley 36
공압구동기 대부분의생체모방형구동기는아직실험실단계에머무르는경우가많으며큰힘을내기에는부적합하다. 공압구동기는대표적인인공근육으로서비교적크고강한힘을내는생체모방형로봇에적용되고있다. 공압구동기는고무튜브를고강성플라스틱그물망으로감싸공압이높아지면구동기가수축하고압력이낮으면이완하는메커니즘으로작동한다. 공압구동기는대략 0~6 bar 상의압축공기에의하여작동하며중량대비파워가 400:1 수준으로일반공압실린더나모터에비하여매우큰장점이있다. 그림 22는실제개의근육배치에따라공압구동기로제작한로봇이다. 공압구동기는실제근육과같은큰힘과직선운동을하기에회전식구동기에비하여시스템유사성이높고분석에도용이하다. 그림 22 공압구동로봇 Puppy 출처 : Case Western Reserve University 신물질과새로운제작방식 37
제 5 장 지상생체모방로봇 휴머노이드 4족로봇 6족로봇다족로봇뱀형로봇고속주행로봇
지상생체모방로봇 지상환경에는사막, 초원, 산등의자연지형으로부터도로, 건물, 계단등의인공지형까지다양한환경이있다. 지상생체모방로봇의궁극적목표는사람처럼다양한환경에적응가능한로봇이다. 현재까지는로봇의목표운용환경과운용방식에맞춰최적화된움직임을만들어내는데초점을두고연구중이다. 다음에소개할생체모방로봇들은각운용방식별로최적화된대표로봇들이다. 휴머노이드 휴머노이드는인간의형태를한로봇을의미한다. 로봇이라는개념의첫등장에서부터영화아이로봇의주인공써니에이르기까지가장사람에게친숙한개념의로봇이다. 휴모노이드로봇개발의가장큰이점은인체와닮은구조로인하여사람이만들어낸환경에쉽게적응이가능하며인간과의상호작용에서있어서정서적거리감이작은점이다. 반면두다리로이동해야하는특성상자세유지및자연스러운보행을하기어렵고인간과같은수준의사물인지및의사결정능력을구현하는데아직많은한계점을가지고있다. 생체모방로봇 Atlas 전세계적으로다양한휴머노이드로봇이개발중에있다. 그중가장진보된형태의휴머노이드로봇으로평가받는로봇은 Atlas이다. Atlas는미국방위고등연구계획국 (DARPA) 에서지원받아미국의로봇회사 Boston Dynamics에서 2013년제작한로봇이다. Atlas는성인의체형과유사한 1.8m의키와 150kg의무게의로봇으로, 다이나믹한거동을만들기위하 40
여유압시스템에의해작동한다. 몸에는총 28개의자유도가있어팔굽혀펴기, 한발로균형잡기, 계단오르기등과같은인간의동작들이구현가능하다. Atlas는특히자세제어기술에있어서타휴머노이드로봇의성능을월등히상회한다. 굵은자갈길을걷거나미끄러운지면, 블록등을이동가능하며걷는도중측면에서힘을가해도무리없이자세유지가가능하다. 휴머노이드로봇은두다리로걸어야하므로로봇내에서진동을최소화해야하며빠른제어응답특성이필요하므로주로배터리와모터시스템을기반으로제작한다. Atlas는기존의휴머노이드로봇의제작에서꺼려하던내연기관과유압실린더를구동기로사용하였음에도불구하고훌륭한자세제어성능을보여주고있다. 반면기존의휴머노이드로봇의문제점이었던낮은파워와운용시간을획기적으로증대시켰다. Atlas는거리와사물을인지하기위하여레이저거리측정기및스테레오카메라를활용하고있다. 특히, 2011년발생한일본후쿠시마원전사고를모티브로개최된 DARPA Robotics Challenge의메인플랫폼으로사용되면서부터기술력을인정받았으며현재 MIT, IHMC 등을비롯한다수의대학에서로봇제어에관한연구를수행중이다. 그림 23 Atlas 출처 : Boston Dynamcis Hubo Hubo는 KAIST에서 2004년개발된국내최초의휴머노이드로봇이다. 휴보는 125cm의키에약 55kg의무게이다. 보행시시속 1.25km로걸을수있으며뛸경우최대 3.3km/h 지상생체모방로봇 41
로달릴수있다. 몸체는알루미늄및 ABS수지로제작되어있으며총 41개의자유도를가지고있다. 휴보의손은 5개의손가락으로구성되어있으며손가락들은각자독립적으로움직일수있어다양한사물파지에적합하다. 배터리와제어기, 통신장치를포함한 on-board 시스템을구현하였으며완충시최대 2시간동안작동이가능하다. 휴보는 2013년 DARPA Robotics Challenge에참가하여 11위를차지하였다. 그림 24 Hubo 출처 : KAIST 생체모방로봇 Asimo Asimo는일본혼다에서 2000년개발된로봇이다. 혼다는 1980년대부터인간의생활공간에서인간의삶의질을향상시키는것을목표로휴머노이드로봇을개발하였다. 기존의 E 및 P시리즈의로봇을통하여원격제어및자세제어에대한기술을축적하였으며 2000년 10월일반인에게 Asimo를공개하였다. Asimo는지속적변화를거쳤으며현재키는 130cm, 몸무게는약 48kg으로어린이크기의로봇이다. Asimo는다양한보행방식으로이동가능하며뛸경우최대시속 6km로달릴수있다. 또한공을차거나한발로제자리에서뛰는등인간의움직임과가장유사하고자연스러운동작의구현이가능하다. Asimo는인간친화적외형과행동을바탕으로인간을도와줄수있는서비스업에특화되어개발중이다. 손님안내, 음식접대, 오케스트라지휘등을사람과함께수행하면서인간과공존할수있는플랫폼을목표로개발중이다. 42
그림 25 Asimo 출처 : Honda 4 족로봇 개와고양이, 그리고말에이르기까지대부분의포유류는 4족생물이다. 4족생물은주위에서흔히접할수있는형태이며인간에게친숙하다. 로봇공학적으로 4족로봇은 2족에비해서자세제어나균형을유지하는데효과적이며보행방식도효율적이다. 따라서짐을운반하거나군사용특수목적달성에유리한장점을가지고있다. BigDog 4족로봇중에서일반대중에게가장널리알려진로봇은미국 Boston Dynamics 사에서개발한 BigDog이다. BigDog은약 90cm의높이에 110kg으로작은노새크기이다. BigDog 은 2005년최초공개되었으며개발목적은험지를군인과함께이동하면서보급품을운반하는일이었다. 기존의로봇은정밀제어에용이한모터구동방식이대부분이었으나군사용으로쓰기에는파워가부족하여한계점이많았다. BigDog은이를극복하고자유압실린더및엔진으로부터구동파워를생성하여활용하고있다. 전체로봇을제어하기위하여 on-board 컴퓨터시스템을사용하여독립적구동이가능하며레이저자이로스코프와스테레오카메라를통한주위환경의인식이가능하다. BigDog은실제빙판길에서미끄러지면서도자세제어가가능하며 35도의경사로, 얕은물, 진흙길, 눈길등에서도이동이가능하다. BigDog은다 지상생체모방로봇 43
양한방식의보행이가능하며최대시속 6.4km 로이동할수있어족형로봇의활용도를높이 는데크게기여하였다. 그림 26 BigDog 출처 : Boston Dynamics LS3 DARPA에서는전장과같은험로에서이동가능한노새의개념을확장하여 BigDog 후속프로젝트로 LS3 ( 족형분대지원로봇시스템 ) 의개발을지원하였다. LS3는 BigDog과마찬가지로 4족으로이동하되, 실제전장환경에적합한시스템으로개발하기위하여덥거나춥고, 젖거나더러운환경에서도지형을극복하고짐을이동할수있는것을목표로개발되었다. LS3는말과유사한크기를지니며한분대에필요로하는장비분량으로최대약 180kg 의무게를지고이동가능하다. 그림 27 LS3 생체모방로봇 출처 : Boston Dynamics 44
LS3는로봇내부의적재량을늘리기위하여 BigDog에비하여다리를앞뒤끝단으로배치하였으며배부분을볼록하게디자인하였다. 또한이동시로봇이쓰러지더라도자세복귀가가능하다. 현재 LS3는족형로봇중가장실전배치에가까이와있으며 2014년 7월하와이에서열린 RIMPAC 훈련에서해병대와함께실제훈련에투입되어평가받았다. 훈련에서 LS3는차량이도달하기어려운산악지형을부대원과함께이동하였으며총 32km를무리없이이동하여그성능을검증한바있다. Stickybot 미국 Stanford University에서개발된 Stickybot은세계최초로줄이나자석등의기타장치의도움없이매끈한유리창을기어오를수있는로봇이다. 길이 62cm의이로봇이유리창을기어오를수있는원리는게코도마뱀의발바닥형상에서착안한게코패드이다. 게코도마뱀의발바닥에는수많은나노스케일의돌기가나있는데, 이는일반적인생물의발바닥에비하여큰정전기력을생성하여미끄러운표면에도빠르게이동가능하다. Stickybot은게코도마뱀의이러한발바닥을모사한게코패드를적용하여유리창을기어오르는데성공하였다. Stickybot에서활용한게코패드는학문적가치뿐만아니라실용화되어상업적으로도성공하였다. 게코패드는한쪽방향으로만힘을생성하고다른쪽방향으로힘을주면쉽게떨어지는성질이있어접착제를사용하지않고쉽게탈부착이가능하다. 현재는공장에서유리패널이동을위한산업용로봇이나차량이나사무실용집기거치대등의용도로널리활용되고있다. 그림 28 Stickybot 출처 : Stanford University 지상생체모방로봇 45
6 족로봇 곤충의특징인 6 족보행은안정성이높고자세제어가용이하여상대적으로작은생체모방 로봇의개발에활용되어왔다. 6 족로봇들은몸크기대비빠르고민첩한이동이가능하며인 명구조를위한정보수집이나정찰을위한목적으로많이개발되고있다. RHex 미국 Boston Dynamics에서개발된 RHex는어떠한지형도극복가능한 6족로봇을표방하며 1998년부터시작하여현재까지개발이이어져오고있는장기프로젝트이다. 현재까지미국의미시간, 피츠버그, 버클리, 프린스턴등의대학과함께연구를진행하였으며연구의최종목표는다양한지형을극복가능한소형정찰로봇이다. RHex는타로봇과달리험지에서활용하기위하여굉장히단순한외형적특징을가지고있다. 일체형몸통에 6개의 C자형탄성체발구조를가지고있으며단순한플랫폼을극복하기위한다양한보행제어개발이이루어져왔다. RHex는최대 2.7 m/s로달릴수있고 45 도지형의극복이가능하다. 또한특유의탄성력을가지는발바닥구조를활용하여계단이나테이블위로점프할수있으며진흙, 철도, 수풀, 심지어물속에서도유영이가능하다. RHex 는다양한실전테스트를거치고있으며곧상용화를앞두고있다. 그림 29 RHex 생체모방로봇 출처 : Boston Dynamics Dash 바퀴벌레는민첩하고좁은지형및험지를빠르게이동할수있다. 미국 UC Berkeley 의생 46
체모방연구실에서는이러한바퀴벌레의동적특성을연구하여탄력적이고유연한몸구조를가지는 Dash 로봇을개발하였다. Dash는전통적인로봇과달리몸전체의구조를탄성을가지는하드보드로구성하였으며 2차원평면에서부품을레이저로가공하여종이접기방식과유사하게조립가능하다. 생산및조립방식이단순하여대량생산이가능하며현재연구및완구용으로생산되고있다. Dash는또한길이 10cm에무게가 16.2g에불과한초경량구조로써로봇이큰충격을받아도부서지지않고이동가능한장점이있다. 실제로 Dash는 28m의높이에서떨어져도이동이가능하다. Dash의 6개의다리는단 2개의구동기만으로제어가능하며현재는단순한생물의집합체에관한군집로봇알고리즘연구에활용되고있다. 그림 30 Dash 출처 : UC Berkeley isprawl 일반적인곤충은험지보다평지에서의속도가빠르다. 반면, 바퀴벌레는험지에서속도가줄어들지않고평지와비슷한속도로고속이동이가능한데그이유는바퀴벌레특유의보행방식과탄성을가지는다리및몸체구조에기인한다. Stanford 기계공학과생체모사연구실에서는이를바탕으로 isprawl을개발하였다. isprawl은바퀴벌레고유의탄성몸체를구현하기위하여 SDM방식을활용하여로봇을제작하였으며고속회전모터와탄성체발구조를모사하여바퀴벌레처럼빠른이동특성을지닌다. isprawl은초당 17번의다리왕복운동이가능하며 1초에자신몸길이의 15배를갈수있다. 또한바퀴벌레처럼로봇의높이에준하는장애물을고속에서도쉽게극복가능하다. 지상생체모방로봇 47
그림 31 isprawl 출처 : Stanford University Pillbot 소형정찰로봇의개발에서중요한요소는원하는위치에로봇을투입하는것이다. 빠른투입을위하여로봇을발사하거나투척하게될경우로봇은큰충격을받게되는데이때충격에너지를분산할수있는가장적합한형상은구형이다. 반면구형로봇은투입후작전반경내의지형장애물의극복에분리한형상을지니고있다. 이러한점을해소하기위하여 KAIST 에서는공벌레를모사한 Pillbot을개발하였다. 그림 32 Pillbot 출처 : KAIST 생체모방로봇 공벌레는몸을말았을땐구형을유지하여충격에강하지만몸을펼쳤을땐일반소형벌레 처럼지형의극복에용이한생물이다. Pillbot 은이러한공벌레의생체적특징을반영하여몸 을스스로말았다가펼침으로써변신가능하다. 따라서공처럼말려있을경우빠른속도로정 48
찰위치로투척가능하며작전지역에서펼쳐진이후에는주위지형극복을통하여효율적정 찰이가능하다. 이를통하여 Pillbot 은소형로봇의활용도를증대시켰다. 다족로봇 지네와같은다족생물은상대적으로긴몸에비하여많은다리를지니고있다. 이러한특 징의이동방식은좁은지형, 굴곡이심한지형을이동하는데유리하다. 또한몸의높이에비 하여높은장애물을극복하는데용이하여다양한종류의다족로봇의개발이이루어져왔다. Zinedyn KAIST에서개발된 Zinedyn은다족로봇의전형이다. Zinedyn은 2009년개발된로봇으로, 총 10개이상의탈부착이가능한모듈로구성이되어있다. Zinedyn의각관절및모듈은플렉서블샤프트로체결되어있어로봇이좌 / 우, 상 / 하로꺾이더라도지형적응성이탁월하다. 각다리는실리콘으로제작되었으며실제지네처럼하모닉한다리움직임을재현하기위하여다리별로고유의위상차를적용하였다. Zinedyn은좁은지형이나계단과같은수직단차의극복이가능하다. 그림 33 Zinedyn 출처 : KAIST Centipede Millirobot Centipede Millirobot 은 2011년 Harvard 대학에서개발된로봇이다. 지네를생체모방한이로봇은총 10개의모듈에 20개의다리를가지고있다. 초소형로봇을제작하기위하여 SCM (Smart Composite Microsturctures) 방식을적용하여 3.5cm의길이에 2.2g의초경량 지상생체모방로봇 49
구조로제작하였다. 지네특유의빠른움직임을재현하기위하여압전구동기를사용하였다. 기존로봇의기본틀은몸체를구성하는하우징이로봇의하중을지지하고그내부에구동기가들어가다리를구동하는형태인데반해, Centipede Millirobot의몸구조는각구동기가자체가하우징의역할을병행하는독특한구조이다. 로봇은 1초에자신의몸길이의 0.7배의속도로이동가능하다. 그림 34 Centipede Millirobot 출처 : Harvard University 뱀형로봇 뱀은다리를가지는생물처럼민첩하고정교한이동은불가능하지만기존의로봇들이접근 할수없었던좁은관이나, 통로, 나뭇가지등을타고올라갈수있으며모레나진흙지형에서 도이동가능하다. 이러한장점의구현을목표로뱀형로봇의연구가진행되고있다. 생체모방로봇 Modular Snake Robot 미국 Carnegie Mellon University에서개발된 Modular Snake Robot은모터, 브레이크, 기어박스, 제어장치가일체형으로구성된모듈로이루어져되어있으며실제뱀의이동방식을차용하여기존의로봇과차별화되는이동방식의구현이가능하다. Modular Snake Robot은기본적으로앞으로웨이브를형성하며이동가능하고, 옆으로구르면서이동, 수직관통과, 나뭇가지이동, 심지어물속에서도유영이가능하다. Modular Snake Robot은지속적으로뱀의움직임을모사하기위하여뱀의이동방식에대한연구를꾸준히진행중이며이를기반으로제어방식을개선하고있다. Modular Snake Robot은특유의자유도높은움직임으로배관탐사, 정찰등에사용될것으로주목받고있다. 50
그림 35 Modular snake robot 출처 : Carnegie Mellon University ACM-R5 Tokyo Institute of Technology에서는지속적으로뱀로봇을개발하여왔다. ACM-R5는 2005년개발된뱀로봇으로, 9개의모듈을가지며길이 1.75m 지름 0.08m, 무게 7.5kg이다. 로봇의외형은방수처리되어있어먼지가많은환경이나물속에서도작동가능하다. 로봇의각모듈측면에는소형바퀴가달려있어로봇이지면이나사물을지나칠때저마찰력으로부드럽게이동하도록도와준다. 로봇의머리모듈에는무선카메라와떨림보정장치가있어지면이나수중이동시흔들림없는영상의전송이가능하다. ACM-R5는수륙양용형이동성능을바탕으로위험지역구조물검사나인명구조등에투입될것을목표로하고있다. 그림 36 ACM-R5 출처 : Tokyo Institute of Technology 지상생체모방로봇 51
고속주행로봇 바퀴굴림방식은구조가간단하고효율이높아가장널리쓰이는운송방식이다. 반면낮은지형적응성으로인하여비포장길이나산악지형, 계단과같은인공구조물에서는이동이불가능한단점이있다. 족형이동방식은지형적응성이우월하여재난현장과같은고난이도의지형에서활용가치가높다. 하지만지금까지의족형로봇시스템은대부분평지에서느리게뛰는수준의성능만구현이가능한실정이다. 이러한이유로근래에족형주행의성능을극대화하고자하는연구가활발히진행되고있다. Cheetah 미국의족형로봇연구회사 Boston Dynamics사에서 2012년개발한 Cheetah 로봇은고속주행로봇의개념을처음으로제시하였다. 기존의로봇들이느린이동속도에머물러있던반면 Cheetah는유압실린더와한다리에 2개의구동기만쓰는경량화구조, 그리고고속으로달릴수있는 gallop 보행패턴을활용하여최초로고속구현에성공하였다. 연구팀은실제로치타를키우면서달리는모습과달릴때사용하는주요근육군, 지면반력등을측정하여로봇개발에활용하였다. 또한고속으로달리기위하여다리와연동되어움직이는허리구조를최초로차용하였다. 이를바탕으로 Cheetah는러닝머신위에서최대시속 45.4km까지달릴수있다. 그림 37 Cheetah 출처 : Boston Dynamics 생체모방로봇 WildCat Cheetah 로봇은고속구현이가능하나실험실내의제약적인공간에서만구동이가능하다. DARPA 에서는 Cheetah 의성공을발판삼아외부환경에서도달릴수있는로봇을 Boston 52
Dynamics에의뢰하였으며이프로젝트를바탕으로 WildCat이개발되었다. WildCat은고속족형이동을구현하기위하여엔진을장착하였으며각다리는 3개의유압실린더로구동된다. 현재 WildCat은 bound 및 gallop 보행방식을이용하여달릴수있었으며최대 25.7km 로주행가능하다. WildCat은달리는동안보행방식을변경가능하며특히, 기존의족형로봇이쉽사리구현하지못한고속선회를선보여족형로봇의기술을한단계더끌어올렸다는평가를받고있다. 그림 38 WildCat 출처 : Boston Dynamics MIT Cheetah MIT Cheetah 는고속으로주행하는로봇을개발하기위하여실제치타의몸구조에기반 하여제작되었다. 그림 39 Mit Cheetah 출처 : MIT 지상생체모방로봇 53
MIT Cheetah는앞 / 뒤다리가실제치타의다리구조와유사하게제작되었으며고속주행시발생하는충격을완화하기위한아킬레스건의구조, 회전관성모멘트를최소화한다리스트럭처를구현하였다. 또한보행패턴에따라유기적으로움직이는허리메커니즘을추가하여고속으로달릴경우효율을극대화하는노력을기울였다. 특히, 고속로봇의파워공급을위하여내연기관및유압실린더를활용하는방식에서벗어나고출력모터를직접개발하여소음없이고속주행을구현하였다. 현재 MIT Cheetah는러닝머신위에서최대 22km 까지달릴수있으며 walk, trot, gallop의 3가지다양한패턴으로보행가능하다. Raptor KAIST에서개발된 Raptor로봇은고속주행을위하여경량화, 단순화에초점을맞춰개발되었다. Raptor로봇은다른고속이동로봇에비해상대적으로작은 0.47cm에불과하며무게는약 3kg으로서유사한크기의로봇대비약 10% 해당하는경량화구조를지닌다. 기존의족형로봇이고속을구현하기위하여큰에너지를투입하는쪽으로연구를진행한반면 Raptor로봇은생물학적근골격구조에기반을두어하나의구동기만을가지는단순한다리시스템을차용하여작은에너지로고속을구현하였다. 또한공룡과같이꼬리를활용하여자세를잡는방식을최초로제안 / 적용하였다. Raptor로봇은이러한구조적특징을바탕으로현재세계에서가장빠른시속 46km로주행이가능하며고속으로달리는와중에도장애물을효과적으로극복가능한첫로봇사례로기록되고있다. 그림 40 Raptor 출처 : KAIST 생체모방로봇 54
제 6 장 공중생체모방로봇 SmartBird 장수풍뎅이 Mobee AirPenguin Nano Humming Bird ibird 생체모방로봇 AirJelly 55
공중생체모방로봇 항공기는 100여년의역사를거치면서눈부시게발전하였다. 항공기는비행기와같은고정익기와헬리콥터와같은회전익기로구분이가능한데이들비행체는고속비행에는적합하지만복잡한건물이나나뭇가지와같은장애물을피해가면서기동하거나, 은폐상황에서의장시간임무수행에는부적합하다. 반면새나곤충의날갯짓비행방식은소음이작고효율이높은특징이있다. 따라서선진국을중심으로생체모방형비행체의개발에큰관심을쏟고있다. SmartBird 생체모방로봇 새의날갯짓을모방한무인비행체에대한연구가많이진척되어왔으나실제구현하는데는한계점이많았다. 날갯짓무인비행체가하늘을날기위해서는기존의고정익항공기중심의해석방식과다른, 새의날갯짓방식에대한공력해석이선행되어야한다. 또한새와같이가벼운비행체개발도동시에이루어져야한다. 독일 Festo에서개발한 SmartBird는초경량구조이며공기역학적날개및동체설계로인하여파워풀한비행이가능하다. 바다갈매기를생체모사한이로봇은기존의날갯짓비행체들이보여주지못했던, 스스로뜨고날며착지가가능하다. 갈매기의골격구조를모사한 SmartBird의날개는위 / 아래로움직이며양력을발생시킬뿐만아니라날개를정교하게비틀수있다. 몸체의길이는 1m이며날개를다펼쳤을때의날개간거리는 2m에달하지만카본복합소재와폴리우레탄폼으로구성되어 450g에불과한초경량을구현하였다. 날개는 BLDC 모터로구동이되며머리와꼬리부, 그리고양날개를비틀기위하여 4개의서보모터를활용하였다. 날개각및날갯짓수를조정하여날아가는방향및속도의조절이가능하며 56
실재갈매기처럼꼬리날개를사용하여자세제어를한다. SmartBird 는실제자연의새처럼 에너지효율적인날갯짓비행을최초로구현하였다고평가받고있다. 그림 41 SmartBird 출처 : Festo 장수풍뎅이 건국대학교에서는날개길이 6cm, 무게는 6g 에불과장수풍뎅이를개발하였다. 장수풍뎅 이로봇은실제장수풍뎅이가고속으로날개를저으면서양력, 추력및와류를만들어내는 것에착안하여제작되었다. 그림 42 장수풍뎅이 공중생체모방로봇 출처 : 동아일보 57
장수풍뎅이가나는현상을규명하기위하여풍동실험을통해날갯짓에따른양력과압력차이등을규명하였으며초당 38회의날갯짓이가능하다. 아직까지는꼬리날개가없어공중에서의자세제어가힘들고배터리가탑재되어있지않지만최종적으로는공중에서자세를유지하면서나는비행체를목표로연구중이다. Mobee 미국 Harvard 대학에서개발중인 Mobee는현존하는가장작은비행로봇이다. 미군의중장기초소형무인비행체로봇개발계획에따라연구중인이로봇은약 3cm 크기이며무게는 80mg에불과하다. 초소형로봇을제작하기위하여동체를카본복합소재로디자인하였으며날개는파리의실핏줄을모방한 MEMS기술로제작을하였다. 파리처럼빠른날갯짓을구현하기위하여압전소자를활용하여초당최대 120회의날갯짓이가능하다. Mobee는현재양날개만있는상태이며양력을발생시켜부양이가능하다. 또한공중에서좌 / 우측으로자세를회전시킬수있다. 반면, 아직전력을외부에서공급받고, 자세제어가불안정하며센서및마이크로프로세서를탑재할공간이없는것이단점이지만지속적인연구를통해해결해나갈전망이다. 그림 43 Mobee 출처 : Harvard University 생체모방로봇 AirPenguin AirPenquin 은독일 Festo 에의해개발되었다. 총길이 3.7m, 날개폭 2.5m 에달하는이 비행로봇은몸의구조를가볍게하기위하여카본섬유로이루어진촘촘한뼈대에폴리우레 58
탄폼을이용한바디구조를차용하였다. 또한약 1세제곱미터의헬륨을몸에채워큰크기에비하여무게는 1kg에불과하다. 로봇의비행을위하여총 9개의구동기를활용하며, 날개와머리그리고꼬리를각각독립적으로조정할수있다. AirPenguin은실제펭귄이물속에서유영하듯이공기중에서구동기를끄고정속도로미끄러지듯이유영가능하다. AirPenguin 리튬폴리머배터리와, 자체제어기, 무선송수신장치를탑재하고있으며공중에서 3차원으로자유롭게비행가능하다. 그림 44 AirPenguin 출처 : Festo Nano Humming Bird AeroVironment 사에서미국 DARPA로부터지원받아 2006년부터개발되어 2011년선을보인 Nano Humming Bird는총 16cm의길이에 19g에불과한소형비행로봇이다. 실제벌새와같이빠른속도로날갯짓이가능하며기존의비행체들이보여줄수없었던공중호버링이가능하다. Nano Humming Bird는생체모방비행체가구현하기힘든안정적인날갯짓및 8자형기동등의뛰어난성능을구현하였다. 또한소형비행체가취약한바람에도잘견디며, 제자리호버링이가능하여최대속도 2m/s의바람에서도작동가능하다. Nano Humming Bird는카메라, 배터리, 무선송수신장비, 제어장비모두를탑재하고있어날갯짓소형비행체개발에큰진전을이루었다고평가받고있다. 공중생체모방로봇 59
그림 45 Nano Humming Bird 출처 : AeroVironment ibird 미국 UC Berkely 에서개발된 ibird는약 28cm에무게 12.4g의생체모방비행로봇이다. ibird는전방의카메라비전을기반으로주위환경을인지하고학습하여최적의경로를생성하는비행알고리즘연구를목표로개발되었다. 최근에는개선된비행제어기에힘입어미리정해진목표물을외부의도움없이날아갈수있다. ibird의최대비행속도는 2m/s 이다. 그림 46 ibird 생체모방로봇 출처 : UC Berkely 60
AirJelly 하늘을유유히날아다니는꿈은누구나한번쯤꿀것이다. Festo에서는이러한상상을바탕으로지름 1.35m 높이 2.2미터에달하는공중해파리로봇을제작하였다. 내부를헬륨으로채워무게가 1.3kg에불과한이해파리로봇은중앙에위치한링크장치에서생성하는촉수의움직임을통하여공중을유영한다. 총 8개의촉수는베벨기어를통하여작동하며리튬이온전지에의해전원을공급받는다. AirJelly 기존의생체모방형비행체와달리, 최초로연동운동으로공중을나는로봇으로평가받는다. 그림 47 AirJelly 출처 : Festo 공중생체모방로봇 61
제 7 장 수중생체모방로봇 AquaRay AquaPenguin AquaJelly Airacuda 익투스 Robofish G8 생체모방로봇 Robolobster Aqua Rhex
수중생체모방로봇 수중로봇은인간이쉽게접근하기힘든곳에투입되어사용되어왔다. 2차세계대전당시침몰한비스마르크호나빙산에부딪혀침몰한타이타닉호를찾아내는데미국의심해잠수정로봇이큰기여를하였다. 해양선진국에서는국방및해저탐사, 수색등의특수목적으로수중로봇을개발하고있으며이는점차강이나바다의수질검사, 수중구조물의안전점검등으로활용분야가점차확대되고있다. 이러한수중로봇은대개기존의선박이나잠수함의제작에활용되는기술을사용하고있다. 하지만낮은에너지효율, 수중에서스크루로인한소음등을해결하고생태친화적로봇의개발을목표로근래에는다양한종류의생체모방형수중로봇이활발히개발중이다. AquaRay 생체모방로봇 AquaRay는가오리의몸형상과유영방식을차용하여 2007년 Festo에서제작된생체모방로봇이다. 가오리의움직임을만들어내기위하여지느러미의움직임을역학적으로모사한 Fin Ray 메커니즘을특별히개발하여활용하였다. Fin Ray 메커니즘은, 주위환경에맞춰최적의날개형상을유지하는스트럭쳐로서, 가오리가지느러미를저으면서추력을형성하는것과유사한움직임을재현하는데도움을준다. 기존의수중로봇이추력을생성하기위하여지속적으로프로펠러를회전시키는것과달리, AquaRay 유영의특징은실제가오리처럼간헐적으로지느러미를저으며효율을높이기위하여지느러미를멈추고물속을글라이딩하듯이미끄러지면서이동가능하다. AquaRay는원격조정이가능하며길이 62cm, 너비 96cm에무게는 10kg이며최대 1.8km/h로유영할수있다. 64
그림 48 AquaRay 출처 : Festo AquaPenguin 펭귄은유선형몸의전형으로, 수중에서날렵하고우아한수영솜씨를가지고있다. 물고기와달리발에는물갈퀴가있으며삼각형의꼬리는방향타역할을한다. AquaPenguin은전형적인펭귄의유선형몸을그대로차용하였다. 기존의수중로봇은스크류의정 / 역회전에따라앞 / 뒤로의이동만가능한반면, AquaPenquin은앞 / 뒤, 좌 / 우, 위 / 아래의정확한위치로이동이가능하며심지어거꾸로도헤엄칠수있다. 펭귄을생체모방한꼬리지느러미와원뿔형의머리구조는상 / 하, 좌 / 우로비틀수있어유영의자유도가높다. 그림 49 AquaPenguin 출처 : Festo 수중생체모방로봇 65
AquaPenguin은 3차원소나센서를활용하여주위벽과바닥, 수중부유물등을인지가능하며, 수면을기준으로스스로위치를확인하면서유영할수있다. 이로봇은 0.8m길이에무게는약 9.6kg이며몸체는유리섬유와플라스틱, 날개는스프링와이어와실리콘으로제작되었다. AquaPenguin은완충시총 6~7시간유영이가능하며최대시속 5km로헤엄칠수있다. AquaJelly 2008년개발을시작하여 2013년완성된 AquaJelly 2.0은해파리를모사한로봇이다. 해파리의연동운동을모사한촉수디자인, 웨이브동작링크시스템으로저에너지로물속유영이가능한해파리의특성을구현하였다. AquaJelly는 1mm의오차까지측정가능한수심센서와적외선센서를활용하여스스로의위치와수중부유물, 벽등을감지가능하며각도센서로기울어진각도를측정하여몸의자세를보정할수있다. AquaJelly는독립제어시스템및배터리를내장하고있으며수중에서의통신문제를해결하여스마트폰으로실시간연동이가능하다. 그림 50 AquaJelly 출처 : Festo Airacuda 생체모방로봇 2006년 Festo에서는 Airacuda를공개하였다. 이로봇은모터나엔진과같은회전구동기가아닌, 공압실린더에의해작동된다. 따라서소음없이물속에서유영이가능하다. 로봇의몸체디자인, 유영방식은모두실제물고기를모사하여개발되었으며물고기가만드는특유의 S자형유영방식을구현하기위하여머리에서부터꼬리지느러미에이르는생체모방형구동 66
기를특별히제작하였다. 로봇의동체는레이저로가공된실리콘으로씌어져있으며 1.5리터의압력용기로구동되는총 4개의공압구동기를탑재하고있다. Airacuda는총 1m 길이에 4kg이며지느러미는물의저항과압력의변화에따라자연스럽게방향을바꿔효율적유영이가능하다. 그림 51 Airacuda 출처 : Festo 익투스 국내에서자유유영이가능한첫생체모방형수중로봇은한국생산기술연구원에서 2009 년 개발된익투스이다. 그림 52 익투스 출처 : 동아일보 수중생체모방로봇 67
익투스는수질검사를목적으로제작되었으며 10여회의성능개선을통해현재는음향탐지기를통한장애물감지, 수질센서, 수심센서, GPS, 카메라등을탑재한상태이다. 익투스는길이 42 cm이며무게는 1.2kg, 최고속도시속 9km로유영할수있다. 또한뛰어난방수설계로최고수심 100m에서견딜수있는내구성을지니고있다. 충전방식으로는무접점자동충전을채택하고있으며완전충전시총 4시간의유영이가능하다. Robofish G8 영국 Essex University에서개발된 Robofish G8은길이 50cm에 1m/s의속도로유영이가능하다. 로봇의몸체는실제물고기의유선형구조를모델링하여제작되었으며물고기의헤엄패턴을차용한제어기를탑재하였다. 연구팀은로봇의유영성능을개선하기위하여 3차원시뮬레이터를만들어로봇제어알고리즘을지속적으로개선중이다. Robofish는인간의도움없이최초로무인유영이가능한로봇으로평가받고있으며연구팀은바다에서오염원을탐지하고추적할것을목표로연구중이다. 그림 53 Robofish 출처 : Essex University Robolobster 생체모방로봇 Northeastern University개발된 Robolobster는 60cm 길이에 3kg의로봇이다. 로봇은각관절에 3개의자유도를가지는있는 8개의다리로구성이되어있다. Robolobster는실제해안이나물속에서걸으면서지뢰등을탐사할목적으로개발되었다. 로봇의제어는바닷가재의이동방식을모사하여이루어졌으며실제생물처럼주위상황을인지하고정보를취득하기위하여신경과학에기반을둔인지 / 제어기법을활용하고있다. 68
그림 54 Robolobster 출처 : Essex University Aqua RHex McGill University에서개발된 Aqua RHex는기본 RHex의다리부분을지느러미로변경하여제작한로봇이다. 몸은방수기능이탑재된알루미늄으로구성되어있으며최대 10m 가지잠수가능하다. 몸의좌 / 우측에는총 6개의지느러미가달려있으며이들은각각개별적구동기에의하여독립적으로조작가능하다. 따라서유영의자유도가높아위 / 아래, 좌 / 우, 앞 / 뒤모든방향으로의유영이가능하다. Aqua RHex는지느러미를움직이는정도, 움직이는각도및속도등을달리하여최적의효율을가지는유영방식연구에활용되고있다. 그림 55 Aqua RHex 출처 : McGill University 수중생체모방로봇 69
제 8 장 실용화 Rhex series Robotic fish Smart bird Nano humming bird 생체모방로봇
실용화 2000년대이후로전세계적으로다양한생체모방로봇의연구개발이활발히이루어져왔다. 하지만대부분의프로젝트가기초연구수준에머무르며기술성숙도가낮아적당한활용처를찾지못했던것이현실이다. 최근들어로봇기술의진보와거듭된연구성과의축적으로생체모방로봇들이실험실수준을벗어나실용화단계에진입하고있다. 대표적인로봇으로는미국 Boston Dynamics의 RHex series, 영국 Essex University에서개발된 Robotic fish, 독일 Festo의 SmartBird 그리고 Aerovironment 의 Nano humming bird 등이있다. RHex series 생체모방로봇 RHex 프로젝트는 1998년미국 DARPA 에서기획되었다. 최초 5년, 5백만달러로시작하였으며최근에는 National Science Foundation에서추가적으로 $3 million을지원받아진행중이다. 플랫폼은 Boston Dynamics가, 로봇제어는각대학에서진행하였는데, 현재까지 Michigan, McGill, Carnegie Mellon, UC Berkeley, Princeton, Cornell 대학등에서 30 여명의연구원이참여중이다. 초창기개발된 RP0 프로토타입을바탕으로 RHex 0.8 버전에서는새로운 4-bar 링크타입의다리와전장부를재디자인하였으며, RHex 0.9 버전에서는다시다리의모양을변경하여현재의 C자형다리디자인을결정하였다. Shelly 버전에서는동체를유리섬유로제작하여방수기능을추가하였으며 RHex 1.1 버전에서는비디오영상송수신장치와이미지프로세싱기능을탑재하였다. 또한다리에가해지는힘을측정하는센서와무선송수신장비를추가하 72
였다. Rugged RHex에서는더큰구동기로교체하고배터리용량을늘렸으며실전과같은진흙, 자갈길, 물속등에서실전테스트가이루어졌다. Aqua 시리즈는다리를지느러미로교체하여개발되었으며물속에서자유유영이가능하다. 현재는 700 미터밖에서무선조종이가능하며로봇의전방과후방에탑재된카메라로부터영상전송이가능하다. RHex는현재미육군에서독립적인평가를진행중이며실전배치를기다리고있다. 그림 56 RHex 프로젝트 Robotic fish 그림 57 프로젝트 Essex University Robotic fish 실용화 73
영국 Essex University 에서수중오염물의탐사를위해서개발된무인로봇플랫폼 Robotic fish는실제물고기의운동방식을모사하여유영속도유지, 턴, 가속, 감속등이가능하다. 최근에는 G9 버전까지개발이완료되었으며현재, 알고리즘향상에중점을두고개발중에있다. 2009년에는스페인북부히혼항구에 5마리의로봇물고기를투입하여유해물질감시실험이수행되었다. 수중에서외부와의통신문제, 운용시간, 조류에로봇이쓸려가는문제등이해결된다면유해물질감시로봇으로의활용가능성이높을것으로전망된다. SmartBird 독일의 Festo사는공압액추에이터를개발하는회사로다양한공압액추에이터와제어기술을가지고 2006년도에 Bionic Learning Network (BLN) 그룹을구성하였다. BLN 그룹은 2006년도부터생체의유연하고복잡한움직임을모방하여자신들의공압구동기를적용하여홍보하면서다양한생체모방적기술을축적하였다. 공압구동기를갖는로봇물고기인 Airacuda를시작으로가오리, 코끼리, 펭귄, 해파리등의움직임과독특한특성을모방하여생체모방형로봇을연구해왔으며, 4년간 19종이상의생체모방형로봇을개발하였다. 그림 58 SmartBird 프로젝트 생체모방로봇 2010 년도말부터시작된 SmartBird 프로젝트는단순히새처럼퍼덕이는움직임만갖는것 이아니라새의움직임을모사하여기존에개발된날갯짓비행체의문제점인에너지효율문 제를해결하고, 자율부상을할수있는로봇새를개발하고자하였고, 2011 년 2 월에갈매기의 74
형상을모방한조류형태의생체모방날갯짓비행체 SmartBird 개발에성공하였다. SmartBird의가장큰특징은지금까지개발된조류모방비행체가주날개의받음각변화를날개의유연성을통하여 passive하게조절될수있었던점을, 날개끝에장착된서보모터조향을통해주날개의받음각을 active하게제어하는것에있다. 날개의받음각을제어함으로써얻게되는효과는주날개의공력발생을능동적으로제어하여더낮은 flapping 주파수로도비행에충분한공력을발생시킬수있게되어에너지효율을극대화시킬수있었다. 또한기존의조류모방비행체에서볼수없었던 folding mechanism을구현하여 upstroke 상태에서항력을감소시킴으로더욱높은효율을달성하였다. 이는현재까지개발된조류모방형로봇중실제조류의날개운동에가장근접한운동메커니즘을구현한사례이다. Nano Humming Bird 1997년미국 DARPA는 Micro Air Vehicle: Toward a new dimension in flight 라는프로젝트를착수하였고, 가까운미래에전장에서초소형정찰용비행체로활용가능하도록비행체의크기를 15cm 로제한, 비행시간 10-20분, 영상정보획득등을요구했다. 비행체의크기가작기때문에많은연구팀에서참여하였고그로인해소형비행체에필요한기반기술들이발전하였다. Aerovironment 또한프로젝트에참여하여다양한소형비행체에대한제작및제어기술을보유하게되었다. 그림 59 Nano Humming Bird 프로젝트 실용화 75
2008년말 DARPA에서는 Nano Air Vehicle 개발프로젝트를진행하였고, 소형날갯짓비행체에대한기술력을보유하고있었던 Aerovironment 社에서참여하여한화 44여억원을지원받아 2년이라는비교적짧은기간에벌새를모방한 Nano Humming Bird를개발하였다. Nano Humming Bird는제자리비행 (hovering) 및전 후진비행, 회전비행등실제벌새와유사한움직임을보이며초소형카메라를장착하여영상정보를획득할수있어무인정찰비행체로활용할수있음을효과적으로보여주었다. 이비행체의놀라운점은기존의날갯짓비행체와는달리꼬리가없이개발되었기때문에비행안정성을위해날개가 8자모양으로움직이는복잡한운동학적프로파일을생성할수있도록모터와링키지를이용한다자유도를갖는날개운동생성메커니즘을갖는다는데있다. 또한기존생물및동물학자들에의해축적된벌새의형상과운동학적변수에대한연구를기반으로초기비행체설계를완료한후날개의크기와유연성효과를고려한공력특성및소비전력에대한최적화를위해 90 여가지의다른형태와재질의날개를풍동실험을통해채택하였다. TIME지의 50대발명품으로선정될정도로높은완성도와벌새와같은기동성 (maneuverability) 과기민성 (agility) 을갖는초소형날갯짓비행체로서향후활약이기대된다. 생체모방로봇 76
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