태양 전지만으로 비행에 성공한 0.26g의 로봇

태양 전지만으로 비행에 성공한 0.26g의 로봇

하버드대 연구팀이 개발 한 곤충 형 마이크로 로봇은 전원 케이블 없이도 날 수 있도록 진화했습니다. 비결은 비행 효율을 높이기 위해 본체에 장착된 태양 전지의 수와 날개의 수를 2 개에서 4 개로 늘렸다는 것입니다. 짧은 비행시간 등 문제가 있지만 다양한 분야에 기술 적용이 기대됩니다. "RoboBee"로 알려진 작은 로봇은 클립 크기의 절반이었고 초당 120번의 속도로 두 날개를 펄럭 일 수 있었습니다. 그러나 약점이 있었는데 전원 케이블로 연결되었기 때문에 이동 제한이 있다는 것입니다. 로보비(Robobee)는 하버드 대학교의 연구원들에 의해 "RoboBee X-Wing"으로 진화하여 돌아왔습니다. 태양 전지와 다른 두 개의 날개로 그는 멀리 있는 은하계를 자유롭게 날아갈 수 있을 것 같습니다. 그러나 현재 실제적으로 이동할 수 있는 거리는 기껏해야 방 중앙 정도입니다. 0.5 초간 비행할 수 있으며 실내로 제한됩니다. 그래도 진전이 있습니다. 지금까지 개발된 가장 작은 드론의 지름은 2-3 인치이고 무게는 1/3 온스입니다. 반면 RoboBee X-Wing은 대략 같은 크기이지만 무게는 1/100 온스 (약 0.26g)입니다. RoboBee X-Wing은 이제 전원 케이블 없이 비행할 수 있는 세계에서 가장 가벼운 기계라는 영광을 얻었습니다. 언젠가는 우주에서 비행에 주의가 필요한 좁은 공간을 여행하기에 이상적인 존재가 될 수 있습니다. 말할 필요도 없이 RoboBee X-Wing은 배터리를 갖기에는 너무 작고 가볍습니다. 배터리는 본체보다 몇 배 더 무겁습니다. 따라서 엔지니어들은 현재 태양 에너지를 사용하고 있습니다. 고려해야 할 여러 가지 사안 중 특히, 공기 흐름을 막지 않도록 4 개의 날개 상단까지 뻗어있는 막대에 작은 태양 전지판을 부착했습니다. 태양 광 패널의 반대편에 있는 로봇 하단에 전자 회로가 부착되어 있고 4 개의 날개로 무게 중심을 쉽게 잡을 수 있습니다. 언뜻 보기에 RoboBee X-Wing은 잠자리처럼 보입니다. 하지만 날개의 수가 2 개에서 4 개로 늘어났다고 해서 파리가 잠자리가 되는 것처럼 표면적인 문제는 아닙니다. 이전 모델 인 RoboBee에서는 두 날개 각각에 부착된 액추에이터가 날개를 움직였습니다. 이것은 파리의 두 날개가 움직이는 것과 같은 메커니즘입니다. 반면, RoboBee X-Wing에서는 새로 추가된 두 개의 날개가 원래 있던 두 날개에 부착되어 있습니다. 잠자리가 4 개의 날개를 따로 움직일 수 있는 것과는 다릅니다. 개선을 하지 않아도 예전 모델은 날개가 2 개여도 완벽했는데 왜 4 개를 사용하기로 했을까요? 날개의 표면적을 두 배로 늘리고 비행 효율을 30 % 높이면 새로 추가된 태양 전지판과 전자 장치로 인한 추가 무게를 감당할 수 있기 때문입니다. Harvard 엔지니어 E. Farrell Helbling에 따르면 2 개에서 4 개 날개로의 변화는 전력 소비를 늘리지 않고 리프트를 증가시키는 요인이었습니다. Helbling은 RoboBee X-Wing에 대한 공동 저술 인 Nature에 새로운 논문을 발표했습니다. "우리는 매우 제한된 부하 용량을 가진 로봇이 전자 회로와 함께 비행할 수 있는 이 방법을 계속 추구할 것입니다." 실험실에서 수행된 테스트에서 로봇 위에 설치된 램프가 태양 전지를 비췄습니다. 그래도 RoboBee X-Wing은 0.5 초 동안만 비행할 수 있었습니다. 이 로봇이 자연환경에 노출되었을 때, 특히 항상 햇빛에 노출되지 않는 상황에서 비행해야 한다면 태양 전지 기술을 보다 향상하고 배터리 무게를 줄이는 것이 필요합니다. RoboBee X-Wing은 현실 세계를 스스로 이해하거나 현재 위치를 알 수 없습니다. 공중에 떠 있지만 여전히 많은 기술이 필요합니다. 또한 이 작은 비행 로봇은 바람의 영향을 받지 않아야 합니다. "이러한 시스템을 연구하면 모든 것을 최적화하기가 극도로 어렵다는 생각을 하게 됩니다."라고 하버드 대학의 로봇 연구원이자 이 논문의 제1 저자 인 Noah Jafaris는 말합니다. 이 점은 특히 중요합니다. 물리학 법칙은 일반적으로 이러한 비행 로봇을 하늘에서 떨어뜨리는 역할을 하기 때문입니다. "날개를 가지고 날아가는 근본적인 문제 중 하나는 몸이 작을수록 날개를 더 많이 움직여야 한다는 것"이라고 생각한 샌디에이고 캘리포니아 대학은 생물학을 로봇 공학에 적용했다. 연구에 참여한 적 있는 Nick Gravish는 이것을 지적합니다. "우리는 짧은 시간 동안 날개를 움직이지 않고 호버링 하거나 날개를 펄럭일 수 있는 간격이 있습니다. 우리는 이러한 에너지 절약 방법에 의존할 수 없습니다.” RoboBee X-Wing을 꿀벌이라고 생각해봅시다. 이 동물들은 모두 거대한 날개로 바다 위로 상승 기류를 잡아 에너지를 절약하면서 날아다니는 생물과 대조적입니다. 비행 로봇 공학은 자연에서 힌트를 얻고 재미가 시작되는 곳이라고 말할 수 있습니다. 엔지니어는 곤충의 복제품을 만들 수는 없습니다. 모든 곤충 근육, 신경 및 깃털과 같은 구조를 모방할 수 있는 것은 아닙니다. 그러나 실제로 모방할 필요는 없습니다. 엔지니어는 로봇의 관점에서 동물을 "재발명"할 수 있습니다. 액추에이터는 근육을 대체할 수 있으며 태양 전지는 섭취를 통한 에너지원과 비교할 수 있습니다. 델프트 공과대학교의 Machey Karas다에 따르면 "곤충에는 항상 이러한 제약이 있으며 곤충에는 엔지니어에게 없는 다른 제약이 있습니다. 엔지니어가 자연에서 영감을 얻을 수 있는 기술이 있더라도 그들이 도달하는 설루션은 실제로 자연이 작용하는 방식과는 조금 다릅니다." RoboBee X-Wing은 실제 곤충의 능력보다 훨씬 낮지 만 언젠가는 곤충의 능력을 능가할 수 있습니다. 액추에이터의 성능이 좋을수록 로봇이 더 빨리 움직이고 반응이 더 민첩 해집니다. 이론적으로 태양 전지의 성능을 높이면 로봇이 멈추지 않고 계속하여 움직일 수 있습니다. 이것이 달성되면 RoboBee X-Wing은 민감한 상황에서 환경 모니터링 및 도난에 이상적인 로봇이 될 것입니다. 결국 길이가 2 인치에 불과하므로 충돌 시 큰 피해를 주지 않습니다. 또한 RoboBee X-Wing에 사용된 초소형 엔지니어링 기술은 다른 기술에도 적용될 수 있습니다. 하버드 대학교의 Helbling은 "확실히 흥미로운 로봇 기술이지만 다른 장치에도 적용할 수 있다고 생각합니다."라고 말합니다. "예를 들어 의료 장비 및 수 센티미터와 혹은 밀리미터와 같은 기타 소형 장치에 적용할 수 있어야 합니다. 이것이 바로 앞으로 탐구해야 할 영역이라고 생각합니다."