비좁은 장소 통과 위한 바퀴벌레 로봇의 개발 Cockroach-inspired robot uses body streamlining to negotiate obstacles(VIDEO)

장애물을 통과하기 위하여 유선형의 몸체 이용

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  미국 캘리포니아 대 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley)의 연구자들이 빽빽하고 어수선한 환경을 통과하기 위하여 자신의 몸체 형상을 이용할 수 있는 로봇을 만들기 위하여 자연계의 바퀴벌레로부터 영감을 얻었다.

연구팀이 개발한 달리는 로봇은 자연계의 원반형 바퀴벌레(discoid cockroach)가 가지는 특징적인 둥근 껍질을 갖추고 있으며, 추가적인 센서나 모터 없이 풀과 같은 수직 기둥 장애물 사이의 공간을 통과하기 위하여 횡전(roll: 항공기의 무게 중심에서 기수와 꼬리 부분을 잇는 전후방향의 세로축에 대하여 회전하는 항공기의 공중 동작) 동작을 수행할 수 있다. 

이러한 로봇은 환경 감시에서부터 구조 및 탐색 작업에 이르기까지 다양한 상황에서 사용될 수 있는 미래의 지상 로봇 설계에 영감을 제시할 수 있다.이 로봇의 성능에 대한 최초의 결과는 생체 모방 로봇과 관련된 국제학술지(학술지명: Bioinspiration & Biomimetics)에서 2015년 6월 23일에 발표되었다. 

비록 많은 지상 로봇들이 장애물을 피하며 다양한 작업을 수행할 목적으로 개발되고 있다. 그러나 장애물을 통과하도록 설계된 로봇은 드물다. “대부분의 로봇 공학 연구는 장애물을 피하며 문제를 해결하려고 한다. 이러한 방법은 환경에 대한 지도를 만드는 센서와 장애물을 우회하는 경로를 계획하는 알고리즘에 크게 의존한다”고 발표된 논문의 주 저자인 미국 캘리포니아 대 버클리 캠퍼스의 첸 리(Chen Li)가 말했다. “그러나 지형이 빽빽하고 혼잡한 경우, 특히 장애물 사이의 간격이 로봇의 크기와 비슷하거나 심지어 더 작은 경우 이러한 접근 방법은 명확한 경로를 찾을 수 없기 때문에 문제가 생기기 시작한다”고 첸 리가 덧붙였다. 

연구자들은 이번 연구에서 원반형 바퀴벌레가 풀과 같이 좁은 간격을 가지는 수직 기둥이 포함되는 인공 장애물을 통과하는 동작을 연구하기 위하여 고속 카메라를 이용하였다. 원반형 바퀴벌레는 열대 우림의 지표면에서 서식하며, 종종 풀잎, 관목, 낙엽, 나무 둥치, 곰팡이류 등과 같은 다양한 종류의 산재된 장애물들을 마주한다. 

이 바퀴벌레가 수직 기둥을 통과할 때 이들의 동작이 몸통의 형상에 의하여 어떻게 영향을 받는지를 관찰하기 위하여 3개의 서로 다른 인공 껍질을 부착하였다. 이 3개의 인공 껍질은 바퀴벌레의 몸통과 비슷한 형상을 가지는 타원형 원뿔, 평평한 타원형, 평평한 직사각형 등의 형상을 가졌다.

바퀴벌레에 인공 껍질을 부착하지 않은 경우 비록 바퀴벌레가 때때로 수직 기둥을 밀고 가거나 위를 타고 넘어갔지만, 대부분 장애물을 통과하기 위하여 가장 빠르고 효과적인 횡전 동작을 사용하였다. 이 경우 바퀴벌레는 자신의 몸통을 돌려서 몸통의 얇은 측면이 수직 기둥 사이의 간격에 잘 들어갈 수 있었고, 바퀴벌레의 다리는 수직 기둥을 밀어서 장애물을 잘 통과하도록 돕는다는 것을 연구자들은 발견하였다. 

그런데 바퀴벌레가 3개의 인공 껍질 중에 하나를 착용한 경우 몸통이 덜 둥글어짐에 따라 이들은 빠르고 효과적인 횡전 동작을 수행하기 어려워졌고 장애물을 통과하는 것이 더 힘들어졌다. 

연구자들은 바퀴벌레를 조사한 후에 6개의 다리를 가지는 소형의 직사각형 로봇을 시험하였으며, 이 로봇이 유사한 장애물 코스를 통과할 수 있는지를 관찰하였다.로봇이 직사각형의 몸통을 가지는 경우에 풀과 같은 수직 기둥을 거의 통과하지 못했으며, 종종 장애물과 충돌하였고 장애물 속에 갇혀 빠져나가지 못하였다.로봇이 바퀴벌레에서 영감을 얻은 둥근 껍질을 갖춘 경우 실제 바퀴벌레와 유사한 횡전 동작을 이용하여 장애물 코스를 훨씬 더 높은 확률로 성공적으로 통과하였다. 이러한 적응 행동은 로봇 프로그램에 대한 어떠한 변화도 없이 일어났다. 

“우리가 제작한 로봇은 지형 저항을 감소시키도록 자신의 몸통을 돌리게 하는 얇고 둥근 껍질을 갖춘 덕분에 어떠한 센서 피드백이나 모터 제어의 변화를 부가하지 않는 채로 풀과 같은 수직 기둥의 장애물을 높은 확률로 통과할 수 있었다. 이것은 새, 물고기, 비행기, 잠수함 등이 유체 속을 통과할 때 항력을 감소시키는 유선형 모양과 지구적인 유사성을 가진 것이다. 우리는 이것을 지구 동역학적 유선형(terradynamic streamlining)이라고 부른다”고 첸 리가 설명하였다.

“장애물을 올라가거나 넘어가는 것과 같은 다른 목적을 위하여 얇고 둥근 것 이외의 다른 형상이 존재할 수 있다. 우리 연구의 다음 단계는 좀 더 지구 동역학적인 형상, 심지어 변화하는 형상을 발견하기 위하여 다양한 지형과 동물 모양을 연구하는 것이 될 것이다. 이러한 새로운 개념은 지상 로봇이 최소한의 센서와 간단한 제어로 다양한 혼잡 환경을 통과할 수 있도록 만들 것”이라고 첸 리가 덧붙였다.

KISTI 미리안  글로벌동향브리핑

Cockroach-inspired robot uses body streamlining to negotiate obstacles

Institute of Physics

VIDEO: A discoid cockroach rolls its body to the side and quickly maneuvers through narrow gaps between densely cluttered, grass-like beam obstacles. With its unmodified cuboidal body, the VelociRoACH robot becomes... view more 

Credit: Courtesy of PolyPEDAL Lab, Biomimetic Millisystems Lab, and CiBER, UC Berkeley.

Researchers at University of California, Berkeley have taken inspiration from the cockroach to create a robot that can use its body shape to manoeuvre through a densely cluttered environment.

Fitted with the characteristic rounded shell of the discoid cockroach, the running robot can perform a roll manoeuvre to slip through gaps between grass-like vertical beam obstacles without the need for additional sensors or motors.

It is hoped the robot can inspire the design of future terrestrial robots to use in a wide variety of scenarios, from monitoring the environment to search and rescue operations.

The first results of the robot's performance have been presented today, 23 June 2015, in IOP Publishing's journal Bioinspiration & Biomimetics.

Whilst many terrestrial robots have been developed with a view to perform a wide range of tasks by avoiding obstacles, few have been specifically designed to traverse obstacles.

Lead author of the study Chen Li, from the University of California, Berkeley, said: "The majority of robotics studies have been solving the problem of obstacles by avoiding them, which largely depends on using sensors to map out the environment and algorithms that plan a path to go around obstacles.

"However, when the terrain becomes densely cluttered, especially as gaps between obstacles become comparable or even smaller than robot size, this approach starts to run into problems as a clear path cannot be mapped."

In their study, the researchers used high-speed cameras to study the movement of discoid cockroaches through an artificial obstacle course containing grass-like vertical beams with small spacing. Living on the floor of tropical rainforests, this specific type of cockroach frequently encounters a wide variety of cluttered obstacles, such as blades of grass, shrubs, leaf litter, tree trunks, and fungi.

The cockroaches were fitted with three different artificial shells to see how their movement was affected by body shape when moving through the vertical beams. The shapes of the three shells were: an oval cone with a similar shape to the cockroaches' body; a flat oval; and a flat rectangle.

When the cockroaches were unmodified, the researchers found that, although they sometimes pushed through the beams or climbed over them, they most frequently used a fast and effective roll manoeuvre to slip through the obstacles. In these instances, the cockroaches rolled their body so that their thin sides could fit through the gaps and their legs could push off the beams to help them manoeuvre through the obstacles.

As their body became less rounded by wearing the three artificial shells, it became harder for the cockroaches to move through the obstacles, because they were less able to perform the fast and effective roll manoeuvre. 

After examining the cockroaches, the researchers then tested a small, rectangular, six-legged robot and observed whether it was able to traverse a similar obstacle course.

The researchers found that with a rectangular body the robot could rarely traverse the grass-like beams, and frequently collided with the obstacles and became stuck between them. 

When the robot was fitted with the cockroach-inspired rounded shell, it was much more likely to successfully move through the obstacle course using a similar roll manoeuvre to the cockroaches. This adaptive behaviour came about with no change to the robot programming, showing that the intelligent behaviour came from the shell. 

"We showed that our robot can traverse grass-like beam obstacles at high probability, without adding any sensory feedback or changes in motor control, thanks to the thin, rounded shell that allows the robot body to roll to reduce terrain resistance." Li continued. "This is a terrestrial analogy of the streamlined shapes that reduce drag on birds, fish, airplanes and submarines as they move in fluids. We call this 'terradynamic' streamlining."

"There may be other shapes besides the thin, rounded one that are good for other purposes, such as climbing up and over obstacles of other types. Our next steps will be to study a diversity of terrain and animal shapes to discover more terradynamic shapes, and even morphing shapes. These new concepts will enable terrestrial robots to go through various cluttered environments with minimal sensors and simple controls."

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From 23 June 2015, this paper can be downloaded from http://iopscience.iop.org/1748-3190/10/4/046003.

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Terradynamically streamlined shapes in animals and robots enhance traversability through densely cluttered three-dimensional terrain

3. The published version of the paper 'Terradynamically streamlined shapes in animals and robots enhance traversability through densely cluttered terrain' (Bioinspiration Biomimetics 4 046003) will be freely available online from 23 June 2015. It will be available at http://iopscience.iop.org/1748-3190/10/4/046003.

Bioinspiration & Biomimetics 

4. Bioinspiration & Biomimetics publishes research that applies principles abstracted from natural systems to engineering and technological design and applications. 

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