협력형 4족 스웜 로봇, 팀워크로 험난한 지형 정복

격리 초창기, 노트르담 대학교 교수이자 로봇공학자 야세민 오즈칸-아이딘(Yasemin Ozkan-Aydin)은 집에서의 시간을 로봇 조립에 사용했습니다.

개미 집단 행동에서 영감

오즈칸-아이딘은 복잡한 지형을 팀으로 기동하는 협력형 다리 시스템을 개발했습니다.

거친 지형과 좁은 공간에서 이동하기 위해 오즈칸-아이딘은 로봇 간 물리적 연결이 기동성 향상시킬 수 있다고 제안했습니다. 개별 로봇이 혼자 물체 이동 못 하면 왜 로봇들이 더 큰 다리 시스템 형성해 과제 완수 안 할까?

개미들이 하는 일이 바로 그렇습니다.

"개미들이 물건 수집·운반 시 한 마리가 장애물 만나면 집단이 협력해 극복합니다. 경로에 틈 있으면 다리 형성해 다른 개미들 건너게 하죠. 이 연구 영감이 됐습니다."라고 오즈칸-아이딘이 최근 보도자료 자세히 보기에서 말했습니다. "로보틱스로 이런 생물학적 시스템 역학과 집단 행동 더 잘 이해하고 미래에 이런 기술 활용법 탐구할 수 있습니다."

3D 프린팅 4족 로봇 제작

3D 프린터로 길이 15~20cm 4족 로봇 제작.

각 로봇에 리튬폴리머 배터리, 마이크로컨트롤러, 3개 센서 포함. 광센서와 각 로봇 앞뒤 자기 터치 센서 2개로 시스템 간 연결 가능.

4개 유연 다리가 추가 센서와 부품 필요성 줄이고 거칠거나 고르지 않은 지형과 상호작용 시 기계적 지능 수준 제공.

"장애물 감지 위해 추가 센서 필요 없습니다. 다리 유연성이 로봇이 장애물 바로 지나가게 돕기 때문입니다."라고 오즈칸-아이딘. "경로 틈 테스트해 몸으로 다리 만들거나, 물체 개별 이동하거나, 집단 연결해 다양한 환경에서 물체 공동 이동 가능. 개미들과 비슷합니다."

팬데믹 기간 연구 진행

오즈칸-아이딘은 2020년 초, 코로나19 팬데믹으로 국가 대부분 셧다운 때 연구 시작. 각 로봇 프린팅 후 마당이나 아들과 놀이터에서 곤충 영감 시스템 테스트.

테크 브리프 더 많은 '스웜' 로봇

NASA가 드론 팀워크 돕는 방식 보기.

테크 브리프 TV에서 'BOBbots' 시청.

인간 뇌가 로봇 스웜 안내하는 법 배우기.

노트르담 교수는 자연·인공 다양한 지형에서 실험 수행. 로봇들 잔디, 멀치, 낙엽, 도토리, 폼 계단, 샤그 카펫, 파티클보드에 붙인 직사각형 목재 블록 거친 지형 기동.

협력 메커니즘

개별 유닛이 걸리면 추가 로봇들에 도움 요청 표시로 빛 보냄. 빛 감지한 도우미 로봇들이 연결해 지원(함께 걸으며 밀기)해 장애물 성공적 통과하며 집단 작업.

"도우미 로봇이 검색 로봇 뒤따라 빛 그라디언트 따라 찾으면, 뒤에서 부착되고 양쪽 로봇 터치 센서로 연결 상태 알림."이라고 오즈칸-아이딘 교수 테크 브리프에 말함.

연구팀 최근 Science Robotics 자세히 보기에 결과 발표.

향후 연구는 시스템 제어, 센싱, 전력 역량 개선 집중.

아래 짧은 Q&A에서 오즈칸-아이딘이 해당 기능들 발전 시 스웜이 할 수 있는 것 설명.

테크 브리프: 자기 터치 센서 작동 원리 - 뭐하는 건가, 어떻게 제어되나?

야세민 오즈칸-아이딘: 각 로봇에 N-S 극성 네오디뮴 희토류 자석 2개 포함된 자기 커넥터 2개, 앞뒤에 위치. 뒤 커넥터는 꼬리에 부착돼 꼬리 올리면 극성 반전(S-N) 가능. 꼬리 올리면 두 로봇 연결 가능, 내리면 분리 가능.

테크 브리프: '도움' 신호 보낼 때 도우미 로봇이 무슨 행동 취할지 어떻게 아나?

야세민 오즈칸-아이딘: 도움 신호(로봇 뒤 밝은 LED 켜기)는 검색 로봇이 계단이나 거친 지형에 걸리면 도우미 로봇들에 전송. 걸린 상태는 검색 로봇이 측정한 빛 강도 변화 없음으로 감지. 로봇이 걸리면 타겟(광원) 향해 이동 못 하고 빛 강도 안 변함. 도우미 로봇들은 항상 검색 로봇 신호 대기.

물론 시스템 한계 존재. 예: 도우미 로봇이 검색 로봇 빔 밖 떨어지면 찾을 수 없음. 향후 설계에선 GPS 등 다른 센서 종류로 로봇 간 통신 향상 필요. 하지만 시스템 복잡도 증가하면 제어 더 어려워짐. 여기서 기계적 지능 중요 역할.

테크 브리프: '기계적 지능' 의미? 정확히 어떻게 상호작용? 로봇 하나 장애물 걸리면? 추가 로봇에 신호 어떻게 보내나?

야세민 오즈칸-아이딘: 기계적 지능이란 메커니즘이 환경에 반응, 새 외부 상황에 적응, 컨트롤러 감각 피드백이나 안내 없이 일부 기능 자동 수행 의미. 각 로봇 4개 방향 유연 다리와 꼬리. 다리나 꼬리 장애물 치면 뒤로 굽으며 장애물 넘음. 통과 후 복귀 스프링이 다리 원래 위치로 당김. 이 수동적 굽힘은 접촉 면적 증가시켜 개별 다리나 꼬리가 지형 거칠기 변화, 스탠스 단계 지면 접촉 상실, 에어 단계 장애물 밟기/치기 대응 가능하게 함.

모든 로봇 앞뒤에 도메형 푸셔가 꼬리 부착돼 앞 로봇 꼬리 센서와 뒤 로봇 헤드 센서 둘 다 터치하는 연결 상태 감지용 터치 센서 같은 스위치 2개. 두 로봇 연결되면 각 로봇이 다른 로봇과 연결됐는지 알 수 있음. 터치 센서 외에 각 로봇 앞 아래 부분에 광센서(포토트랜지스터). 환경 빛 강도 측정과 로봇 간 국지 통신용.

테크 브리프: 실제 실용 애플리케이션 1-2개 증폭 설명 - 스웜이 뭐 달성 가능, 어떻게?

야세민 오즈칸-아이딘: 다리 스웜 로봇들 실제 협력 작업 수행 가능: 수색구조 작전, 농업 애플리케이션(파종·수확, 환경 모니터링, 작물 검사 등), 집단 물체 운반, 우주 탐사.

테크 브리프: 전력 측면에서 에너지 하베스팅 구상 가능? 예: 움직임 기반?

야세민 오즈칸-아이딘: 향후 설계에서 개선돼야 할 매우 중요한 포인트. 압전소재 같은 에너지 하베스트 메커니즘 다리에 부착해 걷는 동안 에너지 수확 가능, 또는 각 로봇에 태양광 패널로 배터리 충전. 다른 옵션: 로봇 하나만 에너지 하베스팅 장착해 총비용 줄이고 다른 로봇들에 전력 전송.

테크 브리프: 이 노력 영감 준 것, 특히 자연 모델?

야세민 오즈칸-아이딘: 이 연구는 지네·절지동물 같은 다리 동물(유연 몸체와 팔다리로 다양한 지형 효과적 이동)과 개미 집단(자기조직화해 다리 등 구조물 만들어 문제 해결) 영감받음.

테크 브리프: 로봇 어떻게 개선하려 하나?

야세민 오즈칸-아이딘: 현재 로봇들 제한된 통신 범위 제약. 개인 간 통신 개선으로 스웜 내 유닛(4족)들 적절히 조정돼 환경 조건이나 수행 작업에 따라 보행 패턴 변경 기대. 추가로 로봇 치수 작업 수행 종류에 따라 스케일링 가능.

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