자기 구동 마이크로 연성 로봇, 가오리 형태의 고성능 수중 이동 구현

초록

본 연구는 네오디뮴-철-보론(NdFeB) 입자를 PDMS 매트릭스에 혼합한 마그네틱 복합재를 이용해 가오리(코우노즈 레이) 형태의 마이크로 연성 로봇을 설계·제작하고, 3차원 헬름홀츠 코일이 생성하는 진동 자기장을 통해 5 mT·11 Hz 조건에서 5.25 mm·s⁻¹(체길의 0.5배) 의 최고 속도를 달성함을 보였다. 전류 방향·주파수 조절로 직진·회전·방향 전환 등 다중 수영 모드를 구현하고, 단계적 전류 보정으로 궤적 오차를 최소화하였다.

상세 분석

이 논문은 마이크로 연성 로봇의 구동 메커니즘을 ‘자기 구동’이라는 비접촉식 전원 공급 방식에 집중함으로써, 기존의 케이블·배터리 기반 로봇이 갖는 부피·무게·소음 문제를 근본적으로 해결하고자 한다. 핵심 재료 선택에서 저자는 NdFeB 입자를 75 wt%까지 PDMS에 혼합한 마그네틱-탄성 복합재를 사용하였다. 히스테리시스 측정 결과, NdFeB 함량이 75 %를 초과하면 포화 자화와 잔류 자화가 크게 증가하지 않음에도 불구하고 강자성 유지가 충분히 확보되어, 로봇의 유연성을 크게 저해하지 않으면서도 외부 자기장에 대한 응답성을 극대화한다는 점을 확인하였다.

구조 설계는 실제 코우노즈 레이의 몸통을 NACA0018 에어포일 형태로 단순화하고, 앞·뒤 지느러미를 사각형에 가까운 형태로 확대함으로써 유체와의 접촉 면적을 늘렸다. 이는 지느러미가 물을 효과적으로 밀어내어 추진력을 증대시키는 동시에, 지느러미 자체의 변형을 위한 충분한 강성을 제공한다. 지느러미와 몸통의 두께·폭 비율은 0.12 mm·9.7 mm·1 mm 등 정밀히 설계돼, 진동 자기장에 의해 발생하는 토크가 지느러미 전체에 고르게 전달되도록 최적화되었다.

구동 시스템은 3축 헬름홀츠 코일을 이용해 0–20 mT 범위의 교류 자기장을 생성한다. 코일 전류를 사인파 형태로 인가하면, 로봇 내부의 자화된 NdFeB 입자는 회전 토크를 받아 지느러미를 앞에서 뒤로 위·아래로 진동시킨다. 실험에서는 주파수를 5–15 Hz, 자기장 세기를 2–8 mT로 변조하면서 속도·진동 형태를 측정했으며, 최적 조건인 B = 5 mT, f = 11 Hz에서 5.25 mm·s⁻¹(체길의 0.5배) 의 속도를 기록했다. 이는 동일 크기·구조의 기존 전기·기계 구동 로봇 대비 2~3배 높은 효율을 의미한다.

또한 전류 방향을 바꾸면 로봇이 회전하거나 특정 방향으로 전진·후진할 수 있음을 보였으며, ‘단계적 전류 보정(stepwise adjustment)’ 기법을 도입해 초기 전류 오차가 누적되는 현상을 억제하고, 궤적 편차를 평균 12 % 이하로 감소시켰다. 이는 실시간 피드백 없이도 비교적 정밀한 경로 제어가 가능함을 시사한다.

한계점으로는 현재 실험이 정적 물(실험 탱크)에서 수행되었으며, 복잡한 흐름·압력 구배가 존재하는 실제 환경에서의 추진 효율과 제어 안정성에 대한 추가 검증이 필요하다. 또한 NdFeB 입자의 장기 자화 안정성 및 PDMS 매트릭스의 내구성(특히 반복적인 변형에 대한 피로)도 향후 연구 과제로 남는다.

전반적으로 이 연구는 마그네틱-탄성 복합재와 3축 헬름홀츠 코일을 결합한 ‘자기 구동 마이크로 연성 로봇’ 설계·제작·실험 전 과정을 체계적으로 제시함으로써, 초소형 수중 로봇의 무선 구동 기술에 새로운 패러다임을 제공한다.