Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

자연은 오랫동안 서로 다른 세계 사이를 이동하는 기술을 숙달해 왔습니다. 소금쟁이나 물방개 같은 곤충들은 다리를 바꾸거나 이동 방식을 변경하지 않고도 연못 표면을 질주한 뒤 진흙 둑 위로 기어 올라갈 수 있습니다. 이들은 환경의 물리 법칙에 힘든 일을 맡김으로써, 동일한 다리를 사용해 물을 밀어내기도 하고 흙을 밀어내기도 합니다. 이와 똑같은 일을 수행할 수 있는 아주 작은 기계를 만들려는 엔지니어들에게 이러한 생물학적 기교는 까다로운 난제였습니다. 주머니에 들어갈 만큼 작은, 구체적으로 5센티미터 미만의 로봇을 만드는 것 자체도 충분히 어려운 일입니다. 그 작은 기계가 자신의 배터리와 두뇌를 탑재한 채 육지와 수면 위를 모두 빠르고 민첩하게 움직이도록 만드는 것은 거의 불가능해 보였습니다. 문제는 육지와 물이 매우 다른 종류의 움직임을 요구한다는 점에 있습니다. 흙 위를 달리는 데 효과적인 방식은 수영에는 실패하기 일쑤이며, 그 반대도 마찬가지입니다. 보통 이를 해결하기 위해서는 여러 세트의 움직이는 부품이 필요한 복잡한 기계가 필요한데, 이는 곤충 크기의 프레임 안에 넣기에는 너무 무겁고 부피가 큽니다.

연구팀은 이제 이러한 트레이드오프를 극복하는 해결책을 만들어냈습니다. 그들은 길이가 단 2.1센티미터이고 무게가 1.69그램에 불과한, 유선 연결이 필요 없는 곤충 크기의 수륙양용 로봇을 제작했습니다. 이 아주 작은 기계는 놀라운 속도로 지면을 가로지르고 수면 위를 미끄러지듯 나아갈 수 있으며, 자체 동력원과 무선 제어 시스템을 갖추고 있습니다. 성공의 비결은 두 환경 모두에서 작동하는 단 하나의 영리한 움직임 패턴에 있습니다. 로봇은 수영과 달리기를 위한 서로 다른 다리를 사용하는 대신, 하나의 액추에이터를 사용하여 달리기용 다리와 수영용 노의 역할을 동시에 수행하는 한 쌍의 사지를 구동합니다. 이 사지를 특정한 비대칭 리듬으로 진동시킴으로써, 로봇은 하드웨어나 보행 방식을 바꿀 필요 없이 지상과 수상에서 전진 운동을 생성합니다.

로봇의 디자인은 물방개가 헤엄치는 방식에서 영감을 얻었습니다. 이 딱정벌레들은 물을 잡기 위해 뒤로 밀 때 다리를 넓게 펼치지만, 앞으로 휘두를 때는 저항을 줄이기 위해 꽉 접습니다. 연구진은 로봇의 앞다리에 부착된 수영용 노를 통해 이 행동을 모방했습니다. 이 노는 한쪽 방향으로는 자유롭게 휘둘러지지만 다른 쪽으로는 고정되는 특수한 경첩으로 연결되어 있습니다. 로봇이 진동할 때, 노는 강력한 전진 추력을 만들기 위해 물을 밀어내는 파워 스트로크(power stroke) 단계에서 넓게 펼쳐집니다. 다시 돌아오는 스트로크 시에는 노가 접히면서 물을 최소한의 저항으로 가르고 지나갑니다. 이는 로봇을 앞으로 나아가게 하는 순수한 추진력을 만듭니다. 육지에서도 동일한 진동 패턴이 다르게 작용합니다. 로봇의 몸체가 약간 기울어져 있어, 다리가 뒤로 휘둘러질 때 지면을 강하게 쳐서 로봇을 앞으로 밀어냅니다. 반대로 다리가 앞으로 휘둘러질 때는 지면에서 살짝 떠올라 마찰을 피하게 됩니다. 이 단순한 단방향 운동 덕분에 로봇은 정확히 동일한 기계적 설정을 사용하여 달리기와 수영을 모두 할 수 있습니다.

이 개념이 실제 세상에서 작동함을 증명하기 위해, 연구팀은 프로토타입을 제작하여 통제된 환경에서 테스트했습니다. 연구진은 로봇에 작은 리튬 배터리와 무선 제어 회로를 장착하여 완전히 독립적인 구조로 만들었습니다. 플라스틱 표면에서의 테스트 결과, 로봇은 초당 32.5센티미터의 최고 속도를 기록했는데, 이는 자기 몸길이의 약 15.5배를 매초 이동하는 속도입니다. 물 위에서는 초당 11.3센티미터, 즉 몸길이의 5.4배 속도에 도달했습니다. 이 속도는 지금까지 제작된 그 어떤 유선 연결이 없는 동종 크기의 로봇보다 현저히 빠른 수치입니다. 또한 로봇은 지상에서 초당 760도, 수상에서 초당 450도의 회전율로 회전할 수 있는 인상적인 민첩성을 보여주었습니다. 로봇은 떠 있는 장애물을 피해 항해하고, 가벼운 잔해를 밀어낼 수 있었으며, 심지어 완만한 경사로를 타고 물에서 육지로, 다시 육지에서 물로 이동할 수도 있었습니다.

연구진은 단순히 시행착오에만 의존하지 않고, 로봇이 어떻게 움직이는지 정확히 이해하기 위해 컴퓨터 모델을 사용했습니다. 그들은 로봇의 속도가 진동 주파수에 크게 의려한다는 것을 발견했습니다. 진동 주파수가 로봇 구조의 자연 공진과 일치할 때 움직임이 가장 효율적이 되며, 가능한 최대 속도를 생성하게 됩니다. 또한 수영용 노의 크기와 경첩의 강성이 결정적인 요소라는 점도 발견했습니다. 노가 너무 크거나 경첩이 너무 뻣뻣하면 로봇이 빠르게 움직일 수 없었습니다. 이러한 세부 사항들을 미세하게 조정함으로써, 연구진은 디자인을 최적화하여 성능이 정점에 도달하도록 했습니다. 이 연구는 공기와 물의 물리 법칙을 모두 존중하는 운동 전략을 사용한다면, 믿을 수 없을 정도로 작으면서도 매우 빠른 기계를 만드는 것이 가능하다는 것을 확인시켜 줍니다.

이 성과는 마이크로 로봇 공학 분야에서 중요한 진전을 의미합니다. 지금까지 육지와 물에서 움직일 수 있는 아주 작은 로봇들은 대부분 너무 느리거나, 너무 크거나, 혹은 전력을 공급하기 위한 전선이 필요했습니다. 이 새로운 로봇은 단 하나의 단순한 메커니즘이 두 가지 서로 다른 세계의 복잡한 요구를 처리할 수 있음을 보여줍니다. 이는 재난 지역을 탐사하거나, 침수 지역에서 생존자를 수색하거나, 생태계를 방해하지 않고 모니터링할 수 있는 미래형 기계의 문을 열어줍니다. 연구진은 현재의 로봇이 매끄러운 표면에서는 잘 작동하지만, 향후 버전은 모래나 풀과 같은 더 거친 지형에도 적응해야 한다고 언급했습니다. 또한 로봇이 인간의 제어 없이 스스로 항해할 수 있도록 시각 센서를 추가할 계획입니다. 그러나 현재로서는, 2.1센티미터 크기의 로봇이 고속으로 달리고 수영하는 모습을 보여준 것만으로도 자연의 기교가 공학적으로 성공적으로 번역되어, 자신에게 영감을 준 곤충만큼이나 민첩한 기계를 만들어낼 수 있다는 명확한 증거가 됩니다.