인간보다 냉각효율 3배…땀 흘리는 로봇팔

포유류는 피부의 땀샘에서 땀을 분비해 증발할 때의 기화열에 의한 냉각 효과를 이용해 체온을 적절하게 유지한다. 그런 땀 기능을 탑재하고 과열을 방지하는 성능을 유지하는 로봇팔을 개발했다.

생물과 마찬가지로 로봇도 과열로 인해 성능이 저하될 수 있고 효율적인 냉각 시스템 개발은 로봇의 성능 향상에 중요하다. 이 과제에 착수한 코넬대학 연구팀은 인간처럼 땀으로 온도를 조절하는 로봇팔을 개발했다.

땀 능력은 인간의 가장 두드러진 특징 가운데 하나다. 연구팀은 인간이 지상에서 가장 발이 빠른 동물은 아니지만 육식 동물로 성공한 이유로 적당하게 땀을 흘리고 체온 조절을 하며 장시간 먹이를 계속 쫓을 수 있었다는 점을 든다. 로봇과 컴퓨터 냉각 시스템은 기계 내부에 폐쇄식 튜브 등을 통해 액체를 순환시키는 건 이전부터 있었지만 연구팀은 과열 문제를 해결하는 자연적인 해결책을 채택했다. 개발한 로봇팔 내부는 물로 가득 차 있어 열에 반응하는 플라스틱 구멍이 있는 표면에 연결되어 있다. 보통 때에는 구멍이 닫혀 있기 때문에 물은 로봇팔 밖으로 흐르지 않는다. 하지만 구멍을 구성하는 플라스틱이 특정 온도에 도달하면 구멍을 통해 로봇팔 표면에서 물이 흘러나온다.

연구팀이 개발한 로봇팔은 3D프린터로 만들었고 인간처럼 다섯 손가락으로 이뤄져 있다. 실제로 영상을 보면 바짝 구부러진 손가락 끝에서 물이 똑똑 떨어지는 걸 볼 수 있다. 이 로봇팔은 내부 물이 유압 작동유 같은 동력원 역할을 맡고 있다. 로봇팔 손가락은 50% 수분을 함유한 하이드로겔 제품이며 가장 바깥층이 단단하고 안쪽 층은 더 유연하게 제작되고 있다.

로봇팔은 일정 온도에 도달하면 손가락에 위치한 구멍에서 물이 흘러나오는 구조. 손가락 표면은 땀에 의한 냉각 효과를 높이기 위해 표면적이 커지고 있어 팬에 의한 바람이 있는 환경에선 땀을 흘리지 않는 로봇팔에 비해 600% 냉각 효율이 달성됐다. 이 땀 효율은 포유류 중에서도 땀에 의한 냉각 효율이 높은 사람, 말과 비교해도 3배 이상 효율이었다고 한다.

이 같은 전략에서 가장 뛰어난 부분은 열 제어 성능이 재료 자체에 기반을 하고 있다는 점이라는 지적이다. 로봇팔의 땀을 제어하기 위해 센서와 기타 부품을 필요로 하지 않는다는 것. 추가 실험을 통해 로봇팔에서 흘러나온 땀에 의해 쥐고 있는 물체 자체를 냉각하는 효과도 확인했다고 한다.

금속 로봇에선 금속 자체가 뛰어난 도체이기 때문에 열을 분산하기 쉬워지고 있다. 한편 의료 처치와 신선식품 포장 등 섬세한 작업에 사용한 로봇은 많은 우수 절연체인 고무다. 이런 열을 없애 어려운 부드러운 로봇 냉각에서 발안에 의한 냉각 기능은 장점이 있다는 것. 또 땀샘을 로봇에 통합해 주변 온도 이하로 땀샘을 냉각할 수 있다는 점도 팬에 의한 냉각으로 달성할 수 없는 장점이라고 할 수 있다.

땀 로봇의 단점으로 생각해볼 많나 건 땀으로 배출하는 물을 정기적으로 보충할 필요가 있다는 점이다. 그리고 가장 큰 문제로 거론되는 건 땀에 의해 로봇팔의 손가락이 윤활되고 마찰이 줄면서 물체를 잡기 어렵게 된다는 것이다. 연구팀은 손가락에 그립을 추가하는 등 이 같은 문제를 해결할 수 있다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.