워싱턴 대학의 연구원들은 하강하는 동안 접힌 위치에 “고정”하여 공중에서 이동하는 방식을 변경할 수 있는 소형 로봇 장치를 개발했습니다. 여기에는 전개된 상태에서 떨어지는 “마이크로 플라이어”의 저속 촬영 사진이 있으며, 이로 인해 혼란스럽게 회전하고 바람과 함께 바깥쪽으로 퍼집니다. 사진: Mark Stone/워싱턴 대학교
로저 반 쇼크(Roger Van Scyoc)
어느 서늘한 오후, 워싱턴 대학교 캠퍼스 중심부에, 잠시 동안 가을이 일찍 찾아온 것 같습니다. 나뭇잎을 닮은 작은 황금색 사각형이 펄럭이다가 떨어지며, 열광적인 추락에서 찰칵 소리와 함께 우아한 하강으로 이어집니다.
“마이크로 플라이어”라는 이름이 적절하고 Miura의 접이식 종이접기에서 영감을 받은 이 작은 로봇 장치는 드론에서 떨어뜨린 후 하강하는 동안 접고 닫힐 수 있습니다. 이 “스냅” 활동은 분산 방식을 변화시키고 미래에는 과학자들이 농업, 기상학, 기후 변화 등을 연구하는 방식을 바꾸는 데 도움이 될 수 있습니다.
“자연에서는 잎과 씨앗이 한 방향으로만 분산됩니다.”라고 Kyle Johnson 박사는 말했습니다. 앨런 학교 출신. Science Robotics에 게재된 주제에 관한 기사의 학생이자 첫 번째 공동 저자입니다. “우리가 달성할 수 있었던 것은 실제로 두 가지 다른 방식으로 작동할 수 있는 구조였습니다.”
열리면 장치가 느릅나무 잎이 떨어지는 것처럼 혼란스럽게 떨어집니다. 닫혀 있으면 단풍잎이 가지에서 떨어지는 모습을 반영하여 더욱 안정적으로 떨어집니다. 다양한 방법(통합 압력 센서, 타이머 또는 Bluetooth 신호)을 통해 연구원은 장치가 열리는 시기를 제어하고 이를 통해 장치가 공기 중으로 분산되는 정도를 조작할 수 있습니다.
그들은 어떻게 이것을 달성할 수 있었습니까? 줄 사이를 읽는 중입니다.
“나뭇잎에서 발견되는 기하학적 패턴에서 영감을 받은 미우라 오리가미 접기 기술을 통해 평평한 상태와 더 접힌 상태 사이를 ‘전환’할 수 있는 구조를 만들 수 있습니다.”라고 Allen School의 교수이자 공동 수석 저자인 Vikram Iyer는 말했습니다. 그리고 연구의 공동 저자. 환경을 위한 컴퓨팅 이니셔티브(CS4Env)의 이사입니다. “상태 간 전환에는 에너지만 필요하기 때문에 우리는 낙하산을 열거 나 닫으면 물체의 낙하 속도가 바뀔 것이라는 직관을 가지고 공기 중 표면적을 변경하는 에너지 효율적인 방법으로 이것을 탐구하기 시작했습니다.”
이러한 에너지 효율성은 배터리 없이 작동하고 스티어링 휠의 크기와 무게를 줄이는 데 핵심입니다. 배터리가 필요 없는 액추에이터와 태양 에너지 수확 회로가 장착된 마이크로플레인은 드론과 같은 더 크고 무거운 배터리 구동 대응 제품에서는 볼 수 없는 에너지 절약 기능을 자랑합니다. 하지만 온도, 압력, 습도, 고도 등 다양한 측정 센서를 탑재할 수 있을 만큼 견고합니다. 연구원들은 대기 조건을 측정하는 것 외에도 이러한 장치의 네트워크가 농지의 작물 성장에 대한 그림을 그리거나 인구 밀집 지역 근처의 가스 누출을 감지하는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.
“이 접근 방식은 종이접기를 사용하여 마이크로플라이어를 위한 새로운 디자인 공간을 열어줍니다”라고 Allen College 교수이자 공동 선임 저자이자 모바일 지능 연구소 소장인 Shyam Gollakota가 말했습니다. “우리는 이 작업이 새로운 종류의 여행자와 비행 모드를 창출하기 위한 미래 비전을 향한 첫 걸음이 되기를 바랍니다.”
무게가 0.5그램 미만인 마이크로 플라이어는 드론보다 재료가 덜 필요하고 비용도 저렴합니다. 또한 인간이 발을 디딜 수 없을 정도로 위험한 곳으로 갈 가능성도 제공합니다.
예를 들어, 존슨은 산불을 추적하기 위해 마이크로 플라이어를 배치할 수 있다고 말했습니다. 현재 소방대원들은 때때로 화재가 확산되는 곳으로 하강하기도 합니다. 마이크로 플라이어는 화재가 발생할 수 있는 위치와 물을 떨어뜨리는 것이 가장 좋은 위치를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 팀은 출시 후 복구할 수 없는 경우를 대비하여 장치의 구성 요소 중 더 많은 부분을 생분해성으로 만들기 위해 노력하고 있습니다.
Allen School의 또 다른 박사인 Vicente Arroyos는 “이러한 회로를 보다 지속 가능하게 만들기 위해 해야 할 일이 많이 있습니다.”라고 말했습니다. 학생이자 해당 기사의 첫 번째 공동 저자입니다. “우리는 생분해성 재료를 활용하여 더욱 지속 가능하게 만들 수 있습니다.”
지속 가능성을 향상시키는 것 외에도 연구원들은 장치 자체의 구조와 관련된 문제도 해결했습니다. 초기 프로토타입에는 상태 간 우발적인 전환을 방지하는 데 필요한 강성을 제공하기 위한 탄소 섬유 뿌리가 부족했습니다.
연구팀은 느릅나무와 단풍잎에서 영감을 받아 마이크로플라이어를 디자인했습니다. 열려 있으면 느릅나무 잎이 나뭇가지에서 떨어지는 것과 유사하게 장치가 혼란스럽게 떨어집니다. 그림과 같이 접힌 위치로 “고정”되면 단풍잎처럼 아래쪽으로 더욱 안정적이고 직선으로 내려갑니다. 사진: Mark Stone/워싱턴 대학교
실험실 밖에서 단풍나무와 느릅나무 잎을 수집하는 동안 연구원들은 종이접기 구조가 상태 간 전환에 필요한 쌍성을 나타내지만 너무 쉽게 구부러지고 잎에서 볼 수 있는 venation이 발견되지 않는다는 것을 발견했습니다. 보다 세부적인 제어를 얻기 위해 그들은 환경의 또 다른 신호를 따랐습니다.
Johnson은 “우리는 종이접기의 면을 평평하고 단단하게 만들기 위해 자연을 되돌아보고 탄소 섬유를 사용하여 구조물에 정맥 모양의 패턴을 추가했습니다”라고 말했습니다. “수정 후 우리는 입력한 에너지의 대부분이 종이접기 면에서 소멸되는 것을 더 이상 볼 수 없었습니다.”
연구원들은 전체적으로 디자인을 개발하는 데 약 2년이 걸렸다고 추정합니다. 그들은 아직 성장할 여지가 있다고 덧붙였으며 현재의 마이크로 플라이어는 개방형에서 폐쇄형으로만 이동할 수 있다는 점을 지적했습니다. 그들은 최신 디자인이 상태 간 전환 기능을 제공함으로써 사용 위치와 방법에 있어 더 정확하고 유연성을 제공할 수 있다고 말했습니다.
예를 들어, 테스트 중에 40m 고도에서 떨어뜨렸을 때 마이크로 플라이어는 가벼운 바람에 최대 98m 거리까지 흩어질 수 있었습니다. 추가 개선을 통해 적용 범위가 넓어지고 바람이나 악천후 조건과 같은 변수를 고려하여 보다 정확한 궤적을 따라갈 수 있습니다.
민들레에서 영감을 받은 센서를 사용한 이전 연구와 연결되는 종이접기 마이크로플라이어는 생체 영감을 받은 사물의 인터넷을 만드는 연구원의 더 넓은 목표를 기반으로 합니다. 민들레에서 영감을 받은 장치는 민들레 씨앗이 바람에 흩어지는 방식을 반영하는 수동 비행을 특징으로 하는 반면, 종이접기 마이크로플라이어는 모양을 변경하는 작동, 온보드 라디오를 통한 능동적, 양방향 무선 전송 및 온보드를 포함하는 완전한 로봇 시스템으로 기능합니다. 목표 고도에 도달하면 자동으로 모양 변화를 유발하는 컴퓨팅 및 감지.
Arroyos는 “이 디자인은 크기와 에너지 수확 기능으로 인해 추가 센서와 페이로드를 수용할 수도 있습니다.”라고 말했습니다. “이러한 장치의 아직 개발되지 않은 잠재력에 대해 생각하는 것은 매우 흥미로운 일입니다.”
즉, 미래는 빠르게 구체화되고 있습니다.
“종이접기는 자연에서 영감을 받았습니다.” 존슨이 웃으며 덧붙였습니다. “이러한 패턴은 우리 주변 어디에나 있습니다. 우리는 올바른 곳을 살펴보기만 하면 됩니다.”
이 프로젝트는 워싱턴 대학의 한 팀이 수행한 학제간 작업이었습니다. 논문의 공동저자에는 Amélie Ferran 박사도 포함되어 있습니다. 기계 공학과의 학생, 학부 전기 및 컴퓨터 공학 학생으로 기여한 Raúl Villanueva, Dennis Yin 및 Tilboon Elberier와 기계 공학 교수 Alberto Aliseda 및 Sawyer Fuller가 있습니다.
비영리 교육 기관인 AVELA – A Imaginative and prescient for Engineering Literacy & Access를 공동 창립하고 현재 이끌고 있는 Johnson과 Arroyos와 팀원들은 연구와 관련하여 워싱턴 주의 Ok-12 학교에서 학생들에게 방법을 보여주는 등 봉사 활동을 실시했습니다. 자신의 기술을 만듭니다. 종이를 사용하여 자신만의 쌍안정 잎 종이접기 구조를 만들어 보세요. 여기에서 관련 데모 비디오를 시청하고 여기와 관련 UW 뉴스 자료 및 GeekWire 스토리에서 마이크로플라이어 프로젝트에 대해 자세히 알아보세요.
Paul G. Allen 공학 및 컴퓨터 과학 학교는 워싱턴 대학의 일부입니다.
