로봇 물고기

헤엄치는 로봇을 꿈꾸다 - 로봇 물고기

“살아 남는 것은 강한 종도 우수한 종도 아니다. 오로지 변화하는 종만이 살아 남는다.” 

자연선택과 적자생존을 주장했던 다윈의 말이다. 주변 환경에 잘 적응한 것만 살아 남기 때문에 현재 살아 있는 주변의 생물들은 그 자체가 하나의 모델이 될 수 있다는 이야기다. 사람들은 생물체의 기능을 모방해 공학적으로 응용하려는 시도(이를 Biomimetics라고 부른다 )를 꾸준히 해 왔는데, 최근 들어 제어기술이 발전되면서 하나 둘 씩 결실을 맺고 있다. 

바다생물이라고 다를 바 없다. 특히 160만년 동안 진화한 물고기는 물속에서 최대 효율을 낼 수 있는 몸의 구조를 갖고 있다. 대양을 빠른 속도로 질주하는 참치나 해저를 자유롭게 기어 다닐 수 있는 게는 인간이 만든 프로펠러 방식의 기기가 따라가지 못하는 여러 장점을 갖고 있다. 실제로 1994년 MIT가 진짜 참치 지느러미와 유체역학적으로 거의 비슷하게 설계한 로봇 참치의 지느러미와 프로펠러의 에너지 효율을 측정한 적이 있다. 놀랍게도 로봇 지느러미의 에너지 효율은 87%로 프로펠러(70%)보다 17%나 더 높은 것으로 나타났다. 해양공학자들이 로봇 물고기에 관심을 갖는 것도 이 때문이다. 

로봇 물고기 분야를 가장 깊이 있게 연구하는 곳은 미국 MIT 드래이퍼연구소. 1995년 세계 최초로 참치를 닮은 로봇 물고기 ‘찰리(Charlie)’를 선보이기도 했던 이 연구소는 2001년 몸길이 약 2.5m, 무게는 112kg 가량의 ‘드래이퍼 참치’를 내놓아 관심을 끌었다. 초속 1.3m 속도로 3시간 동안 헤엄을 칠 수 있는 이 로봇은 스스로 수심이나 위치를 스스로 파악하는 능력을 갖추고 있어 가장 물고기에 가까운 로봇이라는 평가를 받았다. 

일본은 기업 중심으로 로봇 물고기분야에 대해 상당한 관심을 보이고 있다. 미쓰비시가 대표적인데 이 회사는 1999년 일본 미쓰비시가 수족관에 전시할 목적으로 ‘살아있는 화석’으로 불리는 실러캔스를 4억년전 모습과 똑같이 재현했다. 4년 동안 100만 달러나 투자한 결과 몸길이가 80㎝, 무게가 약 12.4㎏인 이 물고기를 만들어 냈는데, 체내에 내장된 배터리와 모터를 이용해 물고기처럼 헤엄을 칠 수 있도록 설계됐다. 

그러나 이러한 연구에도 불구하고 물고기 닮은 로봇을 움직이게 만든다는 게 쉽지는 않다. 

우선 가장 문제가 되는 것은 동력이다. 인간이 만든 기계들은 에너지 효율이 생물에 비해 턱없이 낮기 때문에, 상당한 크기의 배터리를 내장할 수 밖에 없다. 로봇물고기의 먹이(배터리)를 3~4시간 마다 줘야 하는 것도 이 때문이다. 

이런 상황에서 해결책의 하나로 제시된 것이 꼬리 부분에 인공 근육으로 사용하는 물고기 로봇이다. 일본의 이멕스(大阪府 池田市)는 모터 대신 전기에 반응하는 플라스틱 내부가 앞뒤로 수축·이완을 하는 인공근육을 이용해 자연스럽게 이동할 수 있는 물고기를 만들어 냈다. 겔(Gel) 상(Phase) 이온 교환수지(Ion Exchange Resin)를 전극으로 사이에 끼워, 약간의 전압을 걸면 겔 내부의 이온과 물이 한쪽으로 쏠려 체적 변화에 의한 굽힘 변위가 생기도록 한 것이다. 장난감용으로 개발된 데다 기술적으로도 아직 초기 단계라 움직임이 자유롭지 못하기는 하지만, 새로운 가능성을 보여주는 시도로 꼽히고 있다. 

좀 더 물고기 다워지기 위해서는 풀어야 할 더 큰 숙제가 있다. 

무엇보다 물고기의 몸체, 지느러미, 꼬리 등의 운동을 이해해야 할 뿐만 아니라, 움직임과 관련된 힘의 변화까지 완벽하게 이해를 해야 하기 때문이다. 즉 물고기는 꼬리와 지느러미를 반복적으로 움직이고 있는 것 같지만, 사실은 힘과 방향을 절묘하게 조합을 이루고 있는데 이를 데이터 베이스화하고 재생할 수 있어야 한다. 그러나 아직까지 이러한 움직임과 관련된 연구는 턱없이 부족한 실정이다. 게다가 주위 환경을 판단할 수 있는 탐지기능, 판단을 할 수 있는 지능, 그리고 제어시스템 역시 뒤따라 줘야 한다는 과제를 안고 있다. 완벽한 방수 시스템을 갖춘 소재를 선택하는 일도 쉽지 않은 일이다. 

이러한 어려움에도 불구하고 응용할 점이 많다는 점 때문에 앞으로 로봇 물고기의 진화속도는 더 빨라질 것이다. 

우선 로봇 물고기는 군사적인 분야에서 가장 활용도가 높은 것으로 평가되고 있다. 실제로 미국 노스이스턴대가 개발한 바다가재 로봇은 해저에 묻힌 수중기뢰를 찾는 것이 주요 임무다. 다리 8개에 형상기억소재로 만들어진 힘줄이 들어 있어 진짜 바다가재처럼 바닥을 기며 자유자재로 움직일 수 있는 탓에 기뢰를 효과적으로 찾아낼 수 있는 것이다. 

민간 분야에서도 로봇 물고기들의 수요는 늘어날 것이다. 수중 건축물을 정기적으로 조사하거나 잠수정이 출입하기 어려운 해저 탐사의 임무를 수행할 물고기가 필요하기 때문이다. 

이처럼 다양한 분야에 활용 될 로봇 물고기를 하루 빨리 실용화 한다면 머지 않아 바닷가에서 로봇 물고기와 함께 헤엄치게 될 날도 오지 않을까? (글: 유상연 ? 과학칼럼니스트) 

(출처 : KISTI의 과학향기)