과학자들, 에너지 효율적인 BirdBot 구축

맥스 플랑크 지능 시스템 연구소(Max Planck Institute for Intelligent Systems)의 알렉산더 바드리-스프로비츠(Alexander Badri-Spröwitz)가 이끄는 과학자 팀이 비행 능력이 없는 새의 자연적 모델을 기반으로 하는 로봇 다리를 구축했습니다. 새로운 BirdBot은 이전 기계보다 모터가 적게 사용되었으며 이론적으로 대형으로 확대될 수 있습니다.

바드리-스프로비츠는 동적 이동 그룹(Dynamic Locomotion Group)을 이끌고 있으며, 생물학과 로봇공학 분야에서 교차 연구를 수행합니다. 연구 팀에는 알보르즈 아가말레키 사르베스타니(Alborz Aghamaleki Sarvestani), 바드리-스프로비츠의 박사 과정 학생; 메틴 시티(Metin Sitti), 로봇공학자이자 MPI-IS의 디렉터; 몬리카 데일리(Monica A. Daley), 캘리포니아 대학교 어바인(University of California, Irvine)의 생물학 교수가 포함되어 있습니다.

이 연구는 Science Robotics 저널에 발표되었습니다.

자연에서 새를 관찰하다

새들은 스윙 단계에서 발을 뒤로 접는 동작에 의존하며, 연구 팀은 이 운동을 기계적 결합으로 인한 것이라고 설명합니다.

“신경계, 전기적 충동, 근육 활동이 아닙니다.” 바드리-스프로비츠는 말합니다. “우리는 다리와 발의 결합을 통해 여러 관절에 걸쳐 있는 근육과 건의 네트워크를 통한 새로운 기능을 가정했습니다. 이러한 다중 관절 근육-건은 스윙 단계에서 발을 접습니다. 우리의 로봇에는 다리와 발에 결합된 역학을 구현했으며, 이는 에너지 효율적인 로봇 보행을 가능하게 합니다. 로봇에서 이 메커니즘을 보여주는 우리의 결과는 비슷한 효율성 이점이 새에도 적용될 수 있음을 시사합니다.”

연구 팀은 비행 능력이 없는 새의 다리를 모델로 한 로봇 다리를 구축하여 가설을 테스트했습니다. 인공 새 다리는 모터가 없으며, 대신 스프링과 케이블 메커니즘을 갖춘 관절이 사용되었습니다. 연구자들은 케이블과 휠을 사용하여 발을 다리의 관절에 기계적으로 결합했습니다. 각 다리는 다리를 앞뒤로 흔드는 힙 관절 모터와 무릎을 구부리는 작은 모터를 갖습니다.

BirdBot은 연구 팀이 발의 접히고 펴지는 것을 관찰하면서 트레드밀에서 테스트되었습니다.

“발과 다리 관절은 서 있는 단계에서 작동할 필요가 없습니다.” 아가말레키 사르베스타니는 말합니다.

“스프링이 이러한 관절을 구동하며, 다중 관절 스프링-건 메커니즘은 관절 운동을 조정합니다. 다리가 스윙 단계로 당겨질 때, 발이 다리의 스프링을 분리합니다. 우리는 동물에서 이것이 실제로 발생하는 것으로 믿습니다.” 바드리-스프로비츠는 계속합니다.

서 있는 동안 제로 에너지

로봇 다리는 서 있는 동안 에너지를 사용하지 않으며, 이는 이전 버전의 에너지의 4분의 1만 사용함을 의미합니다.

로봇이 달리면, 발이 다리의 스프링을 분리하며, 이는 다리가 스윙할 때마다 발생합니다. 분리하기 위해, 큰 발 운동은 케이블을 느슨하게 하며, 나머지 다리 관절은 자유롭게 흔들립니다. 이는 서 있는 상태와 다리 스윙 사이의 상태 전환을 만듭니다. 이는 일반적으로 로봇에서 관절에 있는 모터에 의해 제공됩니다. 센서도 컨트롤러에 신호를 보내 로봇의 모터를 켜고 끄는 역할을 합니다.

“이전에는 모터가 다리가 스윙 단계인지 서 있는 단계인지에 따라 켜고 끌었습니다. 이제 발이 이 기능을 수행합니다. 우리는 다리 관절에 하나의 모터와 스윙 단계에서 무릎을 구부리는 모터만 필요로 합니다. 우리는 다리 스프링의 결합과 분리를 새의 메커니즘에 맡깁니다. 이것은 강력하고, 빠르며, 에너지 효율적입니다.” 바드리-스프로비츠는 말합니다.

BirdBot은 자연에서 새들이 나타내는 많은驚異的な 메커니즘을 보여주는 물리적 모델입니다. 예를 들어, 새들이 생각하지 않고 빠르게 행동할 수 있는 메커니즘입니다. 땅에 구덩이가 있다면, BirdBot의 다리는 기계적으로 전환되며, 지연 시간 없이 새와 같은 로봇은 높은 이동 로버스트性을 가지고 있습니다.

이 새로운 연구는 몇 톤의 중량을 지탱할 수 있는 미터 높이의 다리를 구현할 수 있으며, 이는 거의 전력 입력 없이 로봇을 구동할 수 있습니다. BirdBot의 구축은 또한 생물학에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있으며, 이는 분야의 발전에 이어질 수 있습니다.