Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

자연은 오랫동안 세계 사이를 이동하는 기술을 숙달해 왔습니다. 물고기는 단순히 헤엄치는 것이 아니라 도약합니다. 포식자를 피하거나, 폭포를 넘거나, 공중의 먹이를 낚아채기 위해 물고기는 코를 위로 치켜들고, 갑작스러운 힘의 분출과 함께 가속하며, 수면을 뚫고 나오기 전까지 그 가파른 각도를 유지해야 합니다. 이 기동에는 힘의 섬세한 균형이 필요합니다. 즉, 순간적으로 엄청난 추진력을 생성하는 능력, 수면을 떠날 때 각도를 제어하는 정밀함, 그리고 표면의 혼란스러운 난류 속에서도 경로를 직선으로 유지하는 안정성입니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 인상적인 속도로 헤엄칠 수 있는 수중 로봇을 제작하거나 물고기의 우아한 파동을 모방하는 로봇을 만들어 왔지만, 이 특정한 '물 밖으로 나가는 행위'를 성공적으로 재현한 사례는 거의 없었습니다. 대부분의 수중 기계는 잠수 상태를 유지하도록 설계되었으며, 도약을 시도하는 기계들도 정렬이 어긋나 뒤틀리거나 수면을 완전히 넘지 못하는 등 신뢰할 만한 제어 능력이 부족했습니다.

콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 연구팀은 이제 이 문제를 해결하여, 물고기처럼 유연하게 수중을 헤엄치고, 공중으로 뛰어오르고, 다시 물속으로 착륙할 수 있는 작은 로봇을 제작했습니다. 이 장치는 손바닥 크기로, 길이는 단 65밀리미터, 무게는 34그램에 불과하지만, 소형 수중 로봇이 할 수 있는 한계를 밀어붙이는 복잡한 일련의 동작을 수행합니다. 두 개의 프로펠러를 수직으로 쌓고 꼬리 방향타(rudder)를 추가함으로써, 연구팀은 1초 이내에 코를 수직 위치까지 들어 올릴 수 있을 뿐만 아니라 초당 몸길이의 13.9배 속도로 헤엄칠 수 있는 플랫폼을 만들었습니다. 이 로봇이 발사될 때, 몸길이의 1.6배 높이의 장애물을 넘어서며, 수평으로는 몸길이의 3.7배를 이동한 후 다시 물속으로 떨어집니다. 흐르는 물이 있는 자연스러운 개울에서 이 로봇은 몸길이의 2.8배 높이까지 더 높이 뛰어올라, 이 설계가 실제 세계의 무질서하고 예측 불가능한 조건에서도 작동함을 입증했습니다.

이 로봇의 성공 비결은 물고기의 형태를 똑같이 복제하는 대신, 물고기의 물리학을 모방하는 방식에 있습니다. 갑작스러운 속도 분출을 제어하기 어려운 꼬리 치기 방식 대신, 연구진은 프로펠러를 선택했습니다. 그들은 방수 처리된 3D 프린팅 본체 내부에 두 개의 작은 고속 모터를 위아래로 배치했습니다. 상단 프로펠러를 하단보다 더 빠르게 회전시키거나 그 반대로 조절함으로써, 로봇은 매우 정밀하게 코를 위나 아래로 기울일 수 있습니다. 이 차동 추진력(differential thrust)은 레버처럼 작용하여 로봇이 각도를 빠르게 변경할 수 있게 합니다. 로봇이 이동 중에 옆으로 회전하는 것을 막기 위해, 두 프로펠러 사이에 작은 꼬리 방향타를 추가했습니다. 이 방향타는 보트의 키처럼 작동하여 로봇이 왼쪽이나 오른쪽으로 조향하며 직선 경로를 유지하도록 돕습니다. 본체 자체는 항공 설계에서 빌려온 유선형 에어포일(airfoil) 형태로 제작되어 물이 표면을 따라 부드럽게 흐르도록 했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 이 형태는 동일한 크기의 단순한 상자 형태보다 항력을 5배 감소시켜 로봇이 더 빠르게 움직이고 에너지를 적게 사용하도록 했습니다.

연구진은 먼저 실험실 수조에서 고속 카메라와 센서를 사용하여 모든 움직임을 측정하며 로봇을 테스트했습니다. 그들은 로봇에게 직진하기, 코를 특정 각도까지 들어 올리기, 수면을 향해 가속하기, 그리고 도약하기라는 일련의 명령을 따르도록 프로그래밍했습니다. 로봇 내부의 컴퓨터는 회전과 중력을 측정하는 센서를 사용하여 실시간으로 자세를 확인하며, 경로를 유지하기 위해 두 프로펠러의 속도를 초당 수백 번씩 조정합니다. 이 테스트에서 로봇은 연구진이 방해를 시뮬레이션하기 위해 툭툭 쳤을 때도 자세를 유지했으며, 1초 이내에 위치를 바로잡았습니다. 점프 준비가 되면 로봇은 코를 65도까지 들어 올리고 가속하여 수면을 뚫고 솟구칩니다. 방향타가 없다면 로봇은 수면을 떠날 때 종종 옆으로 뒤틀려 방향을 잃었을 것입니다. 하지만 방향타가 작동하면서 로봇은 정렬을 완벽히 유지하며 위와 앞을 향해 곧게 쏘아 올려졌습니다.

그 후 팀은 실험실을 벗어나 흐르는 물과 난류가 있는 자연스러운 개울인 볼더 크리크(Boulder Creek)로 로봇을 가져갔습니다. 이곳에서는 도전 과제가 훨씬 컸습니다. 흐르는 물이 로봇을 경로에서 벗어나게 하려 했고, 수면은 요동쳤습니다. 이러한 조건에도 불구하고 로봇은 성공적으로 점프를 수행했습니다. 로봇은 물살을 거슬러 헤엄쳐 올라가 코를 들고, 자신을 쏘아 올려 몸길이의 2.8배 높이에 도달했습니다. 야외 테스트 중에 방향타를 끄자, 로봇은 경로를 유지하지 못하고 심하게 요동치며 의도한 목표 지점에서 멀리 떨어진 곳에 착륙했습니다. 이는 방향타가 잔잔한 수조뿐만 아니라 역동적인 실제 강 환경에서도 안정성을 위해 필수적임을 확인시켜 주었습니다. 이 전체 과정—헤엄치기, 기울이기, 도약하기, 그리고 돌아오기—을 수행하는 로봇의 능력은 소형 수중 기계의 새로운 수준의 민첩성을 보여줍니다.

이 연구는 소형 로봇이 곧 현재 접근 불가능한 구역을 조사하는 데 사용될 수 있음을 시사합니다. 많은 수중 시스템, 예를 들어 파이프, 댐, 침수된 구조물 등은 로봇의 전진을 막는 보(weir)나 연못 사이의 마른 틈과 같은 장벽을 가지고 있습니다. 수중에서 헤엄친 후 장애물을 뛰어넘을 수 있는 기계는 복잡한 환경을 탐색하며, 이전에는 불가능했던 곳의 인프라를 점검하거나 수질을 모니터링할 수 있을 것입니다. 연구진은 현재의 프로토타입이 여전히 가는 케이블로 전원에 연결되어 있다고 언급했지만, 그들이 입증한 원리는 미래의 무선 버전을 위한 청사진을 제공합니다. 배터리 크기와 프로펠러 설계를 개선한다면, 완전한 자율 주행 버전은 언젠가 물고기가 그러하듯 풀에서 풀로 뛰어넘으며 하천의 숨겨진 구석과 산업 시스템을 탐험할 수 있을 것입니다.