초고속 로봇, 가재의 움직임을 모방하다

하버드 대학교 존 A. 폴슨 공과대학의 로봇공학자, 엔지니어, 생물학자들이 새로운 로봇을 개발하여 가재의 펀치를 모방할 수 있게 되었다. 가재는 총알보다 빠르게 가속되는 클럽 같은 부속으로 인해 펀치가 가장 강한 생물이다. 생물학자들은 오랫동안 가재가 이러한 초고속 운동을 어떻게 생성하는지 이해하려고 시도했지만, 새로운 고속 카메라 기술은 새로운 관점을 제공하고 있다.

이 연구는 국립 과학 아카데미 간행물에 발표되었다.

로버트 우드는 하버드 대학교 존 A. 폴슨 공과대학의 해리 루이스와 메릴린 맥그라스 공과대학 교수이다. 그는 또한 이 논문의 선임 저자이다.

우드는 “우리는 자연에서 볼 수 있는 많은 놀라운 행동에 매료되어 있다. 특히 이러한 행동이 인간이 만든 장치에서 달성할 수 있는 것과 같거나凌駕하는 경우이다. 가재의 펀치의 속도와 힘은 복잡한 기전의 결과이다. 가재의 펀치 부속을 모방한 로봇 모델을 구축함으로써 우리는 이러한 기전을 이전에 없던 세부로 연구할 수 있다”고 말했다.

작은 유기체의 래칭 메커니즘

개구리와 카멜레온과 같은 작은 유기체는 초고속 운동을 생성하기 위해 래칭 메커니즘의 방출에 의존한다. 그들은 탄성 에너지를 저장하고 래칭 메커니즘을 통해 빠르게 방출한다. 가재의 경우, 두 개의 작은 구조물인 스클레라이트가 근육의 건에埋め込여져 있으며, 이는 부속의 래칭 메커니즘으로 작용한다.

가재와 다른 유사한 유기체 사이의 주목할 만한 차이점은 가재의 스클레라이트가 부속을 펀치할 때 지연이 있다는 것이다.

나크승 현은 하버드 대학교의 포스도컬 펠로우이자 공동 제1저자이다.

현은 “초고속 카메라로 펀치 과정을 관찰하면, 스클레라이트가 방출되는 때와 부속이 발사되는 때 사이에 시간 지연이 있다”고 말했다. “마우스가 마우스 트랩을 발사하는 것과 비슷하지만, 트랩이 즉시 발사되지 않고 지연이 있다. 분명히 다른 메커니즘이 부속을 제자리에 잡고 있다. 그러나 아직까지도 그 메커니즘을 분석적으로 이해하지 못했다.”

에마 스타인하트는 하버드 대학교의 대학원생이자 제1저자이다.

스타인하트는 “우리는 가재가 다른 갑각류와 비교하여 특별한 근육을 가지고 있지 않다는 것을 알고 있다. 따라서 질문은, 가재의 근육이 이러한 빠른 운동을 생성하지 않는다면, 어떤 기계적 메커니즘이 높은 가속도를 생성하는지이다”라고 말했다.

스클레라이트가 초기에 방출되면, 생물학자들은 부속의 기하학이 제2의 래칭 메커니즘으로 작용한다고 믿는다. 이것은 팔의 운동을 제어하는 데 도움이 되며, 에너지를 계속 저장한다. 그러나 이것은 아직 테스트되지 않은 가설이다.

https://www.youtube.com/watch?v=If4IURa2Joo

가재 크기의 로봇 개발

연구팀은 가설을 테스트하기 위해 시스템의 링크 메커니즘을 연구하여 물리적인 로봇 모델을 구축하기로 결정했다. 로봇을 구축한 후, 팀은 펀치의 4가지 구별되는 단계를 가진 수학적 모델을 개발했다. 스클레라이트가 초기에 방출되는 단계에서 부속의 펀치까지이다.

연구자들은 스클레라이트가 방출된 후, 메커니즘의 기하학이 부속을 제자리에 잡고, 오버-센터링 점에 도달할 때까지 방출을 제어한다는 것을 발견했다.

스타인하트는 “이 과정은 저장된 탄성 에너지의 방출을 제어하고, 실제로 시스템의 기계적 출력을 향상시킨다”고 말했다. “기하학적 래칭 과정은 이러한 짧은 기간의 운동에서 cựcめて 높은 가속도를 생성하는 방법을 보여준다.”

이 과정은 1.5그램의 가재 크기의 로봇에서 모방되었다. 가재의 펀치 속도에 도달하지는 못했지만, 로봇은 공중에 26미터 매초의 속도를 나타냈다. 이는 같은 규모의 다른 장치보다 빠른 속도이다.

셸라 패트는 듀크 대학교의 생물학 교수이자 공동 저자이다.

패트는 “이 연구는 여러 분야에서 발견을 할 수 있는 방법으로서의 학제간 협력을 보여준다”고 말했다. “물리적인 모델을 구축하고 수학적 모델을 개발하는 과정은 우리로 하여금 가재의 펀치 메커니즘을 재고찰하게 만들었고, 더广く는 유기체와 합성 시스템이 극단적인 에너지 흐름을 제어하는 방법을 발견하도록 했다.”

물리적인 모델과 분석적인 모델을 결합함으로써, 생물학자와 로봇공학자는 특정 유기체가 비범한 작업을 수행하는 방법에 대한 더深い 이해를 얻을 수 있을 것이다.

이 연구의 다른 공동 저자로는 제성 고, 그레고리 프리번, 미셸 H. 로젠, 파트마 제넵 템ェ르가 있다.