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애니메이션 ‘포켓몬스터’ 속 캐릭터 메타몽처럼 마주친 상대에 따라 모양을 바꾸는 바퀴가 있다. 한국기계연구원 등 국내 공동연구팀이 복잡한 컴퓨터 시스템 없이 바퀴의 모양을 바꿔 장애물을 타고 넘어가는 바퀴를 8월 14일 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스’에 발표했다. ^{doi: 10.1126/scirobotics.adl2067}

연구팀이 개발한 바퀴의 핵심은 경직성을 실시간으로 바꿀 수 있다는 것이다. 경직성은 물체가 외부에서 가해지는 힘이나 하중에 저항하는 능력이다. 경직성이 높은 물체는 힘이 가해져도 변형이 잘 일어나지 않는다. 금속 막대는 경직성이 높고, 고무 막대는 경직성이 낮다. 쉽게 말하면 평탄한 지면을 주행할 때는 바퀴가 단단해져 안정적으로 고속 주행하고, 장애물을 만났을 때는 바퀴가 물렁물렁해져 장애물의 형태에 따라 바퀴 모양이 바뀐다.

연구팀은 액체 방울의 표면 장력에서 경직성이 변하는 바퀴의 아이디어를 얻었다. 표면 장력은 외부의 힘으로 변형됐다가, 다시 원래의 상태로 돌아가려는 힘이다. 이때 표면에 있는 분자 간의 응집력이 표면 장력을 발생시키고, 이 표면 장력이 방울의 형태를 안정시킨다. 연구팀이 만든 바퀴는 스마트 체인에 연결된 와이어의 장력을 조절해 바퀴의 경직성을 바꾼다. 와이어 장력이 높아지면 바퀴의 경직성이 증가하며, 와이어 장력을 낮추면 바퀴의 경직성이 감소한다.

장애물을 만난 바퀴의 와이어 장력은 자동으로 낮아지게 설계됐다. 바퀴 가운데에는 와이어가 연결된 ‘허브’가 2개 겹쳐 있다. 바퀴가 장애물을 만나면 와이어가 연결된 두 허브 사이의 간격이 달라진다. 그러면 와이어가 느슨해지면서 바퀴의 경직성이 감소하고, 따라서 바퀴 모양이 장애물에 맞춰 변형되는 것이다.

연구팀은 논문을 통해 “이 기술이 기존 바퀴의 한계를 극복하는 데 큰 역할을 했다”고 평가하면서도 “먼지 등이 스마트 체인 사이로 들어갈 때 발생하는 문제를 해결하기 위해 바퀴의 안정성을 높이는 추가 연구가 필요하다”고 밝혔다.

▲Korea Institute of Machinery and Materials, photo by Sinabro Studio

장애물을 만나면 바퀴의 경직성을 낮춰 모양을 변형한다. 덕분에 바위를 넘고 계단을 오를 수 있다.