대표 사진(날개를 빠르게 펴고 안정적으로 비행할 수 있는 무당벌레)

서울대 공대는 국방생체모방 자율로봇 특화센터 조규진(기계공학부) 교수팀 (1저자: 백상민 연구원, 공동저자: 임소정, 채수환 연구원, 이대영 박사 후 과정(하버드), 교신저자: 조규진 교수, 디자이너: 송정률 연구원)이 무당벌레를 모사한 종이접기 기반 구조와 이를 활용한 로봇을 개발했다고 16일 밝혔다. 이번 연구는 생체모방을 통해 종이접기 기반 구조의 실제 활용 가능성을 한 단계 끌어올린 성과로 평가받고 있다.

종이접기 기반 구조는 가볍고 좁은 공간에 접혀 있을 수 있어 다양한 분야에 적용되고 있다. 하지만 기존의 종이접기 구조 설계 방식은 탄성 에너지 저장과 큰 힘을 지탱하는 능력에 있어서 한계가 있었다.

이에 연구진은 무당벌레의 시맥에서 영감을 받아 종이접기 구조의 면에 탄성과 곡률을 부여했다. 연구진이 착안한 무당벌레는 복잡하게 접혀있는 날개를 0.1초 이내에 빠르게 펼 수 있고 100Hz의 매우 빠른 날갯짓에서도 날개가 꺾이지 않는다. 그 이유는 시맥의 단면 형상이 독특하고 또 탄성을 활용하기 때문이다. 연구진은 이 원리를 종이접기 기반 구조에 적용했다.

그 결과 개발된 무당벌레 모사 종이접기 구조는 납작하게 접힐 수 있지만 탄성 에너지 저장 능력이 높아 스스로 빠르게 펴지고 펴진 뒤에는 큰 힘을 견딜 수 있다.

서울대 조규진 교수는 “무당벌레의 시맥의 탄성과 단면 형상을 종이접기 구조에 적용해 에너지 저장량을 크게 높일 수 있고, 동시에 추가 요소 없이 큰 힘을 견딜 수 있게 했다”라고 설명했다.

연구진은 나아가 종이접기 구조 기반의 전개형 날개를 활용해 점핑-글라이딩이 가능한 복합거동 로봇을 개발했다. 이 날개는 전체 면적의 1/8의 면적에 접힐 수 있고 원할 때 빠르게 펼 수 있다. 로봇은 날개가 접힌 상태에서 점핑을 한 뒤 최고점에서 빠르게 날개를 펴 글라이딩한다.

이처럼 점핑과 연속된 글라이딩으로 로봇은 안정적으로 더욱 먼 거리를 이동할 수 있다. 또한 연구진은 생체모방 종이접기 구조를 활용해 전개형 날갯짓 메커니즘, 크롤링-글라이딩 로봇, 점핑로봇 등을 개발했다.

서울대 조규진 교수는 ”이번 연구는 무당벌레의 원리를 활용한 전개형 메커니즘에 특화된 스프링 요소를 개발한 데 의의가 있다“라며, ”무당벌레 모사 종이접기 구조는 소형탐사로봇, 의료 로봇, 항공 우주 기술 등에 쉽게 적용할 수 있고 전개형 메커니즘의 기능을 확장하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 로봇분야 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 표지논문으로 4월 15일자에 게재 될 예정이다.
본 연구는 국방생체모방 자율로봇 특화연구센터를 통한 방위사업청과 국방과학연구소 연구비 지원과 KIST 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.

▲무당벌레와 이를 모방한 전개형 날개

▲무당벌레 날개의 시맥을 모사한 종이접기 기반 구조

▲전개형 날개의 펴진 모습과 접힌 모습. 날개는 1/8의 면적에 접힐 수 있다.

▲전개형 날개를 활용한 점핑-글라이딩 복합거동 로봇의 운동 궤적

▲전개형 날개의 전개 순서

조규진 교수는 누구?
인간중심소프트로봇기술연구센터(ERC)장. 2014년 소프트로봇과 생체모사로봇 설계 분야 성과를 인정받아 '국제로봇학회 젊은 연구자상(IEEE RAS Early Career)'을 받았다. 2015년 〈사이언스〉 저널에 실린 '" target="_blank" rel="noopener noreferrer">소금쟁이 로봇'을 개발했다. 2016년에는 전미과학진흥협회(AAAS) 연례대회에서 장애인의 일상생활을 돕는 장갑형 소프트로봇 '" target="_blank" rel="noopener noreferrer">엑소 글로브 폴리(Exo-Glove Poly)'를 공개해 화제를 모았다. 같은 해 4월, 이탈리아 피사에서 세계 최초로 열린 ‘소프트로봇챌린지’에서 ‘스누맥스’로 우승했다. 소프트로봇챌린지에서 우승한 종이접기 원리를 이용한 가변형 바퀴를 고도화하여 실제 차량 무게를 견디면서 변신이 가능한 타이어를 개발하여 " target="_blank" rel="noopener noreferrer">한국타이어 광고에 활용되었다. " target="_blank" rel="noopener noreferrer">종이접기 원리를 이용한 가제트팔과 유사한 드론용 로봇팔과 " target="_blank" rel="noopener noreferrer">펠리컨 장어의 큰 변형 원리를 구현할 수 있는 소프트 로봇을 개발하여 사이언스 로보틱스 표지 논문으로 게재하는 등 소프트 로봇과 생체모방 로봇 분야에서 활발한 연구를 하고 있다.