바다별 이동에서 영감받은 로봇 설계: 분산 제어의 교훈

모션 디자인 인사이더

바다별의 움직임은 수백 개의 작은 관족의 움직임을 포함합니다. (이미지: Gerald Corsi/iStock)

바다별은 중앙 두뇌 없이 복잡한 환경을 탐색하기 위해 수백 개의 작은 관족의 조정을 포함하는 생물입니다. 즉, 각 발이 제각각 마음대로 움직이는 것처럼 보입니다.

USC 비터비 항공우주 및 기계 공학과 내에 있는 칸소 생체 영감 모션 연구실에게 바다별은 흥미로운 현상입니다. 칸소 연구실은 생물 시스템의 유체 물리학을 해독하는 데 특화되어 있으며, 종종 그 통찰력을 로보틱스 개발에 적용합니다.

연구실의 최근 논문인 미국 국립과학원 회보(PNAS) "관족 역학이 바다별 이동의 적응을 이끈다"(2026년 1월 13일)는 바다별의 움직임이 개별 관족의 국소 피드백에 의해 주도되며, 각 관족이 기계적 응력의 다양한 정도에 반응하여 표면에 대한 부착을 동적으로 조정한다는 것을 드러냅니다.

"우리는 UC 어바인의 맥헨리 연구실과 함께 바다별 연구를 시작했고 나중에 벨기에 몽스 대학교의 생물학자들과 협력했습니다."라고 칸소 연구실 소장이자 항공우주 및 기계 공학, 물리학, 천문학 교수인 에바 칸소는 말했습니다. "SYMBIOSE 연구실의 실뱅 가브리엘 부교수와 대학원생 아망딘 데리두와 함께 우리는 바다별을 위한 특수 3D 프린트 '백팩'을 설계했습니다. 백팩을 싣고 내리면서 각 관족이 추가 무게에 어떻게 반응하는지 관찰하고 측정할 수 있었습니다."

연구자들은 각 발이 변화하는 하중에 독립적으로 반응한다는 것을 발견했습니다. "처음부터 우리는 바다별이 각 관족이 중앙 제어기의 지시가 아닌 국소 기계적 신호를 기반으로 표면에 부착하고 분리할 시점에 대해 국소적 결정을 내리는 계층적이고 분산된 제어 전략에 의존한다고 가정했습니다."라고 칸소는 말했습니다.

실험을 통해 팀은 이러한 국소 반응을 테스트하고 정량화할 수 있었습니다. "우리는 신체 역학을 통해 결합된 단순하고 국소적인 제어 규칙이 어떻게 조정되고 전신 이동을 일으킬 수 있는지 보여주는 수학적 모델을 개발했습니다."

국소 피드백을 기반으로 한 적응적 움직임 모델은 부드럽고 다중 접촉 로보틱스 설계에 매우 관련이 있습니다. 육상, 수중, 심지어 다른 행성에서의 잠재적 응용에는 중앙 "임무 통제" 또는 인간 의사 결정자로부터 일관된 통신을 방해하는 울퉁불퉁한, 수직, 거꾸로 된 지형을 탐색하는 로봇을 위한 분산 이동 시스템이 포함됩니다.

"우리는 또한 바다별을 거꾸로 뒤집는 실험을 수행했습니다 — 관족의 형태학 덕분에 바다별은 계속 움직일 수 있습니다."라고 칸소는 말했습니다. "당신이 물구나무서기를 하고 있다고 상상해 보세요. 당신의 신경계는 즉시 당신이 중력에 반대되는 위치에 있다고 알릴 것입니다. 하지만 바다별은 그런 집단적 인식이 없습니다."

대신, 바다별은 각 관족이 중력의 힘을 다르게 경험하는 국소 지식을 갖추고 있습니다. 발이 기계적으로 신체에 연결되어 있어 한 발이 밀면 움직임이 다른 발에 영향을 미치기 때문에 조정된 움직임이 일어납니다. 결과적으로 국소적 실패가 전체 시스템을 반드시 멈추지 않으며 — 고급 견고성과 회복탄력성을 허용합니다.

이는 뒤집히거나, 하중을 잃거나 얻거나, 중앙 통신 소스에서 단절될 수 있는 극한 환경을 탐색하는 자율 로봇에 중요한 이점입니다. 빠른 움직임 동물(곤충부터 체조 선수까지)이 "중앙 패턴 생성기" — 뇌간에 위치한 리드미컬한 운동 패턴을 생성하는 특수 신경 회로 — 에 의존하는 반면, 느리게 움직이는 바다별은 환경 변화에 동적으로 적응할 준비가 되어 있습니다.

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