로봇 설계을 위해 '코끼리'를 연구하는 이유는?

로봇 설계을 위해 '코끼리'를 연구하는 이유는?

펭귄이 빠르게 헤엄치는 메커니즘을 수상 차량이나 수중 탐색로봇 등의 구축의 실마리로 삼거나, 홍학(flamingo)이 한 발로 안정되게 서는 포즈를 적은 에너지로 자세를 유지하는 시스템 개발에 응용할 수 있지 않을까 하는 생각 등, 인간에게는 없는 다른 동물의 메커니즘이 로봇 연구의 아이디어로 활용될 수 있습니다. 파리의 소르본대학에서 동물 행동학과 생체역학을 전문으로 연구하는 폴린 코스트스가, 생물에게 착안점을 얻은 로봇공학에 대한 지식의 이전으로서 「코끼리」에 주목하고 있는 것을 설명하는 내용입니다.

코스트스의 연구팀은 아프리카 코끼리의 코 끝에는 어느 정도의 힘이 있고, 어느 정도 재주가 있는 '집는' 능력이 있는지를 연구하고 있었습니다. 과거 연구에서는 코끼리가 코를 감아 물체를 들어올릴 때 만드는 전체 힘 등을 측정했지만 2024년 5월 발표한 논문에서는 코 끝에 초점을 맞춰 힘의 크기와 구조를 조사하고 있습니다.

연구에서는 집는 힘을 기록하면 보상으로 사과를 방출하는 장치를 설치하여 코의 악력(힘의 크기)을 측정했습니다. 아래의 이미지는 실제로 코끼리가 장치를 사용하고 있는 곳에서, 장치는 한 번 사과를 받을 때마다, 다음에 사과를 얻기 위해 필요한 쥐는 힘이 커지기 때문에, 코끼리는 앞선 횟수보다 강하게 집을 필요가 있으며, 「코로 어느 정도의 힘을 낼 수 있는가」라고 하는 최대치를 측정하는 구조로 되어 있습니다.

관찰 중 코끼리가 장치의 센서를 집을 때 코의 움직임은 4패턴이 있다는 것을 알게 되었습니다. 아래 그림은 코끼리의 코 움직임을 보여주는 것이며, 위에서 A는 코를 똑바로 앞으로 뻗은 상태, B는 코 끝을 비틀어 옆에서 집는 형태, C는 코를 비틀면서 똑바로 뻗은 상태, D는 코를 비틀면서 옆에서 집는 패턴을 이미지하 한 것입니다.

동물원에 있는 5마리의 암컷 코끼리를 조사한 결과 코끼리의 코가 물체를 집는 힘은 곧게 코를 뻗고 있을 때가 최대로 86.4뉴턴으로 측정되었습니다. 1킬로그램의 질량에 1미터 초당 가속도를 부여하는 힘이 1뉴턴이며, 사람의 엄지와 검지 사이의 집히는 힘은 49~68뉴턴이라고 합니다. 코끼리의 코는 인간의 손가락보다 더 강한 힘으로 '집을' 수 있지만, 그 힘은 너무 강하지 않아 물체에 큰 힘을 주지 않고 집을 수 있다는 것을 알게 되었습니다.

"물체에 강한 힘을 들이지 않고 단단히 집는다"는 움직임은 로봇에게 요구되는 '소프트 그리퍼(Soft gripper)'라는 기술에 요구되는 기능으로 "코끼리의 코 구조를 해석함으로써 소프트 그리퍼(Soft gripper) 개발에 도움이 되는 정보를 얻을 수 있습니다"라고 코스토스는 말했습니다.

코끼리 코에서 힌트를 얻은 로봇 소프트 그리퍼(Soft gripper)는 2020년 사우스웨일즈대학이 실험을 공개했습니다. 다음의 동영상은, 천으로 된 부드러운 로봇 그리퍼가 여러가지 물건에 감아 들어 올리도록 해 들고 있는 모습을 사우스웨일즈대학이 공개한 것입니다.

New robotic ‘snake’ device grips, picks up objects - YouTube
https://youtu.be/kIelv-iABQs?si=thnsJ-qEQQruldQM

 

 

 

연구자들에 따르면 이 로봇 그리퍼에는 센서가 달려 있으며, 그리퍼에 작용하고 있는 힘을 감지해 접촉하고 있는 물체의 손상을 막는 힘으로 휘감아 열로 작동하는 메커니즘에 의해 천으로 된 그리퍼가 딱딱해지거나 부드러워진다고 합니다. 이 로봇 그리퍼가 물체에 휘감는 유연한 움직임이 여러 방향으로 힘차고 정확하게 움직이는 코끼리 코의 생물학적 모델을 참고하고 있다는 것입니다.

코스트스등의 연구에서는, 코끼리의 코의 끝에 있는 2개의 「손가락」이라고 말할 수 있는 주안점에서, 각각 힘이 들어가는 방법이 다르다는 것을 처음으로 발견했습니다.

 

더 넓은 서식지나 생태의 코끼리를 조사하고 코의 메커니즘을 상세하게 이해함으로써 '인체에 부담을 주지 않는 로봇 치료', '험한 환경에서 유연하게 이동할 수 있는 로봇', '채소나 과일을 손상시키지 않고 수확하는 기계' 등 로봇공학 연구를 진행할 수 있으며, '코끼리의 서식지에 필요한 환경을 올바르게 이해하고 코끼리를 보호하는 것과도 연결되는 의미가 있습니다'라고 코스토스는 말했습니다.

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Elephants use the tips of their trunks to grasp things with great precision – how this can help robotic design
https://theconversation.com/elephants-use-the-tips-of-their-trunks-to-grasp-things-with-great-precision-how-this-can-help-robotic-design-231309