다람쥐에서 영감을 받은 점프 로봇이 나뭇가지에 착지할 수 있다

엔지니어들은 기어다니고, 헤엄치고, 날고, 심지어 뱀처럼 기어다니는 로봇을 설계했지만, 나뭇가지 덤불 사이로 파쿠르를 하고, 위험한 틈새를 뛰어넘고, 가장 약한 나뭇가지에 정확하게 착지할 수 있는 다람쥐의 능력에는 그 어떤 로봇도 비할 바가 없습니다.

캘리포니아 대학교 버클리의 생물학자와 엔지니어들은 이 상황을 개선하려고 노력하고 있습니다. 다람쥐의 도약과 착지의 생체 역학에 대한 연구를 바탕으로, 그들은 좁은 횃대에 착지할 수 있는 홉핑 로봇을 설계했습니다.

3월 19일자 Science Robotics 저널에 보고된 이 업적은 건설 중인 건물의 트러스와 대들보 사이를 뛰어넘을 수 있거나 얽힌 숲이나 나무 캐노피 속의 환경을 모니터링할 수 있는 로봇 등, 더욱 민첩한 로봇을 설계하는 데 있어 큰 진전입니다.

"우리가 지금 가지고 있는 로봇은 괜찮지만, 어떻게 다음 단계로 끌어올릴 수 있을까요? 파이프와 들보와 전선이 있는 재난 속에서 로봇이 어려운 환경을 헤쳐나가게 하려면 어떻게 해야 할까요?

다람쥐는 아무 문제 없이 그렇게 할 수 있습니다. 로봇은 그렇게 할 수 없습니다." 이 논문의 수석 저자 중 한 명이자 UC 버클리의 통합 생물학 교수인 로버트 풀의 말입니다.

"다람쥐는 자연에서 가장 뛰어난 운동선수입니다." 풀이 덧붙여 말했습니다. "다람쥐가 기동하고 탈출하는 방식은 믿을 수 없을 정도입니다. 아이디어는 동물에게 놀라운 업적을 수행할 수 있는 광범위한 행동 옵션을 제공하는 제어 전략을 정의하고 그 정보를 사용하여 더 민첩한 로봇을 만드는 것입니다."

전 UC 버클리 대학원생이자 논문의 공동 1저자인 저스틴 림은 풀과 그의 생물학 학생들이 다람쥐에서 발견한 것을 2016년 UC 버클리에서 개발한 일족 로봇인 살토로 번역했습니다. 살토는 이미 껑충껑충 뛰고 파쿠르를 하며 착지할 수 있었지만 평평한 땅에서만 가능했습니다. 과제는 좁은 막대와 같은 특정 지점을 치면서 착지하는 것이었습니다.

"어떤 지점으로 점프하려고 한다면, 예를 들어 딱지치기 놀이를 하고 발을 특정 지점에 착지하고 싶을 때, 착지 자세를 유지하고 한 걸음도 내딛지 않아야 합니다."

현재 일리노이 대학교 어바나 샴페인(UIUC)에서 기계 과학 및 공학 조교수로 재직 중인 임은 이렇게 설명했습니다.

"앞으로 넘어질 것 같은 느낌이 들면 팔을 핀휠로 돌릴 수 있지만, 넘어지지 않기 위해 똑바로 서 있을 가능성이 큽니다. 뒤로 넘어질 것 같은 느낌이 들고 제대로 앉을 수 없어서 앉아야 할 것 같으면 팔을 뒤로 핀휠로 돌릴 수 있지만, 그럴 때 웅크리고 있을 가능성이 큽니다. 이는 로봇에 프로그래밍한 것과 동일한 동작입니다. 밑으로 휘둘리려면 웅크리고, 넘어질 것이라면 쭉 뻗어 똑바로 서 있어야 합니다."

이러한 전략을 사용하여 Yim은 NASA에서 자금을 지원하는 프로젝트에 착수하여 토성의 위성인 엔셀라두스를 탐사할 수 있는 작은 한쪽 다리 로봇을 설계하고 있습니다. 엔셀라두스의 중력은 지구의 80분의 1이고, 로봇은 한 번 뛰어서 축구장 길이만큼 이동할 수 있습니다.

새로운 로봇 디자인은 Journal of Experimental Biology 에 게재가 수락되어 2월 27일에 온라인에 게시된 논문에 자세히 설명된 다람쥐 착지의 생체역학적 분석을 기반으로 합니다 . Full은 수석 저자이고 전 대학원생 Sebastian Lee는 해당 논문의 첫 번째 저자입니다.

생물학과 로봇공학을 섞다

Salto는 지형 장애물에서의 민첩한 이동을 의미하는 Saltatorial Agile Locomotion의 줄임말로, 10년 전 캘리포니아 대학교 버클리의 전기공학 및 컴퓨터 과학부(EECS) 대학원 교수인 Ronald Fearing의 연구실에서 시작되었습니다. 이 로봇의 껑충껑충 뛰기, 파쿠르, 착지 능력의 대부분은 Full의 Polypedal Lab의 생물학 학생들과 Fearing의 Biomimetic Millisystems Lab의 공학 학생들 간의 오랜 학제간 협업의 결과입니다.

Yim이 UC 버클리 대학원생이었던 5년 동안(2020년에 Fearing의 지도 하에 전기전자컴퓨터공학(EECS)으로 박사 학위를 받았음) 그는 생물학 실험에서 배우기 위해 2주마다 Full의 그룹을 만났습니다. Yim은 Salto가 야외에서도 평평한 곳에 똑바로 착륙할 수 있는 능력을 활용하여 나뭇가지와 같은 특정 표적을 맞추려고 노력했습니다.

Salto는 이미 균형을 맞추는 데 도움이 되는 모터화된 플라이휠 또는 반응 휠을 가지고 있었는데, 이는 사람이 균형을 회복하기 위해 팔을 돌리는 방식과 매우 유사합니다. 하지만 그것만으로는 불안정한 퍼치에 직접 착륙하기에 충분하지 않았습니다. 그는 Salto를 발사하는 모터를 역전하여 착륙할 때 브레이크를 밟는 데 사용하기로 결정했습니다.

다람쥐가 착지할 때 다리로 같은 동작을 한다고 의심한 생물학 및 로봇공학 팀은 이를 확인하고 살토가 착지하는 데 도움이 될 것임을 보여주기 위해 병행해서 작업했습니다. 풀의 팀은 다람쥐가 착지할 때 가지에 수직으로 작용하는 힘과 다람쥐가 발로 가하는 가지에 대한 토크 또는 회전력을 측정하는 센서가 달린 가지를 계측했습니다.

연구팀은 고속 비디오와 센서 측정을 바탕으로 다람쥐가 영웅적인 도약 후 착지할 때 기본적으로 나뭇가지에 핸드스탠드를 하며 착지력을 어깨 관절을 통해 전달하여 관절에 최소한의 스트레스만 가한다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 발에 패드를 사용하여 나뭇가지를 잡고 비틀어 나뭇가지 위나 아래로 날아갈 수 있는 과도한 토크를 극복합니다.

"거의 모든 에너지, 즉 운동 에너지의 86%가 앞다리에 흡수되었습니다."라고 그는 말했습니다. "그들은 실제로 나뭇가지에 정면 핸드스탠드를 하고 있고, 그 다음 나머지가 따릅니다. 그런 다음 발은 아래로 갈 경우 풀업 토크를 생성합니다. 위로 갈 경우(잠재적으로 오버슈팅) 브레이크 토크를 생성합니다."

그러나 균형을 맞추는 것보다 더 중요한 것은 다람쥐가 땅에 착지할 때 가지에 가하는 제동력을 조절하여 과도하거나 부족한 힘을 보상한다는 사실을 발견했다는 것입니다.

"언더슛을 한다면, 할 수 있는 일은 다리가 부러지는 힘을 덜 발생시키는 것입니다. 다리가 약간 무너지고, 그러면 관성이 줄어들고, 그러면 다시 일어나서 바로잡을 수 있습니다." 풀이 말했습니다.

"반면에 오버슛을 한다면, 반대로 해야 합니다. 다리가 더 많은 부러지는 힘을 발생시켜 관성이 커지고 속도가 느려져서 균형 잡힌 착지가 가능해야 합니다."

Yim과 UC 버클리 학부생 Eric Wang은 조절 가능한 다리 힘을 통합하여 반응 휠의 토크를 보완하도록 Salto를 재설계했습니다. Yim은 이러한 수정을 통해 Salto가 발로 잡을 능력이 없음에도 불구하고 나뭇가지 위로 점프하고 몇 번 균형을 잡을 수 있었다고 말했습니다.

"우리는 가장 어려운 경로를 택하고 로봇이 발로 가지에 토크를 가할 수 있는 능력을 부여하지 않기로 했습니다. 우리는 토크를 최소화하기 위해 마찰이 매우 낮은 수동 그리퍼를 특별히 설계했습니다." Yim이 말했습니다. "향후 작업에서는 로봇이 가지에 가하는 토크를 제어하고 착지 능력을 확장할 수 있는 능력을 크게 확장할 수 있는 다른 더 유능한 그리퍼를 탐색하는 것이 흥미로울 것 같습니다. 가지뿐만 아니라 복잡한 평평한 지면에도 가능할 수 있습니다."

동시에, 풀은 이제 다람쥐의 발이 착지할 때 가하는 토크의 중요성을 조사하고 있습니다. 그는 원숭이와 달리 다람쥐는 잡을 수 있는 엄지손가락이 없어서 나뭇가지를 손바닥으로 움켜쥐어야 한다고 말했습니다. 하지만 그것이 장점일 수도 있습니다.

"매나 다른 다람쥐와 같은 포식자에게 쫓기는 다람쥐라면, 나뭇가지에서 재빨리 파쿠르할 수 있을 만큼 충분히 안정적으로 잡을 수 있어야 하지만, 너무 단단히 잡으면 안 됩니다."라고 그는 말했습니다. "놓아야 할 걱정은 없고, 그냥 튀어올라갑니다."

한 발 로봇은 가만히 서 있을 때 넘어질 가능성이 있어서 비실용적으로 들릴 수 있습니다. 하지만 Yim은 정말 높이 점프하려면 한 발이 최선의 방법이라고 말합니다.

"한 다리가 점프하기에 가장 좋은 숫자입니다. 여러 다른 장치에 그 힘을 분산시키지 않으면 그 한 다리에 가장 많은 힘을 넣을 수 있습니다. 그리고 한 다리만 있는 것의 단점은 점프 높이가 높아질수록 줄어듭니다." Yim이 말했습니다. "다리 높이보다 여러 배나 더 높이 점프하면 보행은 하나뿐입니다. 그것은 모든 다리가 동시에 땅에 닿고 모든 다리가 거의 동시에 땅에서 떨어지는 보행입니다. 그래서 그 시점에서 여러 다리를 갖는 것은 일종의 한 다리를 갖는 것과 같습니다. 그냥 한 다리를 사용하면 됩니다."

Science Robotics 논문 의 다른 공동 저자 는 Fearing과 전 UC Berkeley 학부생인 Eric Wang(현재 MIT 대학원생), 전 대학원생인 Nathaniel Hunt(현재 University of Nebraska in Omaha의 준교수)입니다. J. Exp. Bio. 논문의 공동 저자는 Wang, Hunt, Fearing, UC Berkeley 기계 공학 부교수 Hannah Stuart, 전 UC Berkeley 학부생 Stanley Wang과 Duyi Kuang입니다.

이 연구는 미국 육군 연구소(W911NF-18-1-0038, W911NF-1810327)와 국립보건원(P20GM109090)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250319142850.htm