UC 산타바바라 30m 점프 로봇, 역대 최고 높이 기록 경신

캘리포니아 대학교 산타바바라(UC Santa Barbara) 공학 교수 엘리엇 호크스(Elliot Hawkes)와 협력자들이 개발한 기계적 점프 장치가 약 100피트(30미터) — 지금까지 공학적·생물학적 모든 점프체 중 가장 높은 높이 — 에 도달할 수 있다. 이 성과는 점프 장치 설계에 대한 새로운 접근법을 나타내며 점프를 이동 수단으로서 이해하는 데 진전을 가져왔다.

"동기는 과학적 질문이었습니다."라고 로봇공학자로서 기계가 환경을 탐색할 수 있는 다양한 가능한 방법을 이해하려는 호크스는 말했다. "공학적 점프체의 한계가 어디인지 이해하고 싶었습니다." 생물학적 점프체(동물계의 우리)에 대한 수세기 연구와 대부분 생체모방 기계적 점프체에 대한 수십 년 연구가 있지만, 그는 두 탐구 라인이 다소 분리돼 있었다고 말했다. "두 가지를 비교·대조하고 한계가 어떻게 다른지 — 공학적 점프체가 생물학적 점프체와 정말 같은 법칙으로 제한되는지 — 를 다룬 연구는 없었습니다."라고 그는 말했다.

생물학적 시스템은 오랫동안 이동 수단의 최초이자 최고의 모델이었고, 연구자들이 '점프체가 지면에 힘을 가해 움직임을 만들면서 일정한 질량을 유지하는 것'으로 정의한 점프에 특히 그렇다. 많은 공학적 점프체들이 진화가 제공한 설계를 모방하는 데 집중해 큰 효과를 봤다.

하지만 생물학적 시스템에서 점프를 만드는 요소들이 공학적 시스템에선 제한적일 수 있다고 호크스 연구실 박사과정 찰스 샤오(Charles Xiao)는 말했다.

"생물학적 시스템은 근육 한 번 수축으로 생산할 수 있는 에너지만큼만 점프할 수 있습니다."라고 샤오는 말했다. 따라서 시스템은 몸을 지면에서 밀어내는 데 줄 수 있는 에너지 양이 제한되고, 점프체는 그만큼만 높게 뛸 수 있다.

하지만 공학적 점프체들에겐 사용 가능한 에너지 양을 늘릴 방법이 있을 거라 연구자들은 생각했다.

이들은 래칫하거나 회전하는 모터를 사용해 여러 번 스트로크해 스프링에 저장할 수 있는 에너지 양을 곱한다. 연구자들은 이 능력을 '일 곱하기(work multiplication)'라 명명했는데, 모든 형태와 크기의 공학적 점프체에서 찾아볼 수 있다.

"생물학적 vs 공학적 점프체의 에너지 생산 차이가 둘이 점프 높이를 최대화하려면 매우 다른 설계를 가져야 함을 의미합니다."라고 샤오는 말했다. 동물은 상대적으로 근육 한 번 스트로크로 생산되는 적은 에너지량만 저장하면 되니 작은 스프링과 큰 근육량을 가져야 한다. 반면 공학적 점프체는 가능한 한 큰 스프링과 작은 모터를 가져야 한다.

연구자들은 이 통찰들을 이용해 생물학적 점프체와 꽤 다른 점프체를 설계했다 — 모터 대비 스프링 크기 비율이 동물에서 발견되는 것의 거의 100배다. 또한 단위 질량당 에너지 저장을 최대화하려 새로운 스프링을 고안했다. 하이브리드 인장-압축 스프링에서 카본파이버 압축 보우(bow)들이 압착되면서 모터 구동 스핀들에 감긴 라인을 당겨 고무밴드들이 늘어난다. 팀은 보우의 바깥쪽 휘는 가장자리들을 중앙에서 고무 인장으로 연결하면 스프링 강도도 개선됨을 발견했다.

"놀랍게도 고무가 압축 보우-스프링을 더 강하게 만듭니다."라고 호크스는 말했다. "스프링을 더 압축해도 부러지지 않습니다."

점프체는 최소한의 래칭 메커니즘으로 점프 에너지를 방출하고, 다리가 접혀 비행 중 공기 저항을 최소화하는 공기역학적 설계로 가볍다. 이런 설계 특징들이 합쳐져 0에서 60mph까지 9밀리초 만에 가속 — 315g 가속도 — 하고 연구원 시연에서 약 100피트 높이에 도달한다. 모터 구동 점프체로 이는 '현재 사용 가능한 재료로 가능한 점프 높이의 실현 가능한 한계 근처'라고 연구는 말한다.

이 설계와 생물학적 설계가 설정한 한계를 초월하는 능력은 점프를 효율적인 기계 이동 수단으로 재구상하는 무대를 마련한다. 점프 로봇들은 현재 비행 로봇만 도달할 수 있는 장소들에 갈 수 있게 될 것이다.

이점은 지구 밖에서 더 클 것이다. 점프 로봇들은 표면 장애물 대응 없이 달이나 행성을 효율적으로 횡단할 수 있고, 지형 기반 로봇이 도달할 수 없는 특징과 관점에도 접근할 수 있다.

"달에서는 125미터 높이로 점프하며 0.5킬로미터 전진할 수 있을 것으로 계산됩니다."라고 호크스는 말했다. 달 중력이 지구의 1/6이고 공기 저항이 사실상 없음을 지적하며. "그건 공학적 점프체들의 거대한 도약이 될 것입니다."