전기및전자공학부 명현 교수 연구팀(미래도시 로봇연구실)이 두더지의 생물학적 특성을 모방해 효율적으로 굴착하며 탐사하는 로봇을 개발했다. 연구팀은 이번 연구를 2017년부터 2019년까지 진행하며 해외 우수저널에 5건의 논문을 연구 결과로 게재했다.

다양한 두더지의 굴착 특성 모방해
두더지는 땅을 파서 굴을 만들며 벌레를 찾아서 먹고 사는 특성이 있다. 생물학적으로 굴착에 적합한 두더지의 특성을 모방해 연구팀은 일명 두더지 로봇인 ‘몰봇(Mole-bot)’을 개발했다. 이빨로 토양을 긁어내고 잔해를 앞발로 제거하는 특징을 가진 두더지 중 하나인 아프리카 두더지의 특성을 모방해 전면부의 드릴링 구조를 개발했다. 새로운 드릴링 방법은 기존의 기술에 비해 높은 공 확장 능력을 가지는데, 이를 통해 넓은 굴착공을 만들어 잔해를 제거할 수 있는 여유 공간뿐만 아니라 로봇이 자유롭게 움직이기 위한 공간을 확보할 수 있다. 
또한, 두 개의 앞발로 굴착과 동시에 생성되는 토양을 제거하는 유럽 두더지의 어깨 구조를 모방해 잔해 제거 구조를 개발했다. 팔의 상완골은 어깨에서 몸의 견갑골과 연결되는데, 유럽 두더지는 견갑골이 길쭉해 견갑골의 작은 직선운동만으로도 연결된 상완골의 강력한 회전을 가능하게 한다. 연구팀은 기계 장치의 링크* 구조를 이용해 유럽 두더지의 앞발 움직임과 유사한 각도를 가지도록 로봇을 설계했다. 그 결과 약 15°로 제한된 작은 각도의 회전으로도 큰 힘을 낼 수 있어 굴착과 잔해 제거를 효율적으로 하는 두더지의 특성을 몰봇이 구현함을 확인했다.

지하에서 현재 위치를 정확히 파악해
지하 환경에서는 주변의 암석과 흙으로 인해 로봇과 무선으로 통신하기 어렵고, 좁은 공간과 주변이 어둡다는 점은 시각 정보를 활용하는 것을 제한한다. 때문에 몰봇은 현재 위치를 알기 위해 자기장 센서가 포함된 관성항법 센서를 탑재했다. 관성항법장치는 자이로스코프**와 가속도계를 이용해 각가속도와 가속도를 구한다. 이를 적분해 구한 속도와 함께 출발 위치를 기반으로 현재의 위치가 어디인지를 구할 수 있다. 연구팀은 추가로 자기장 센서의 정보를 이용하는 지하 위치인식 알고리즘을 개발했다. 이 알고리즘은 특정 위치의 지구자기장은 로봇이 이동하는 동안 일정하다는 점을 이용해, 지하에서 운동하며 시간에 따라 자기장이 변화하는 패턴으로 움직임의 변화를 추정해 위치 인식의 정확도를 높인다.

기존에 비해 효율적인 자원 탐사 가능 
몰봇은 5~10m 이내의 지층 깊이에서의 탐사를 목적으로 개발되었다. 이러한 탐사 범위에서 몰봇은 50cm 이내 깊이에 매설된 지뢰를 탐사하기에 적합하다. 또한, 깊지 않은 지반에 넓게 분포된 희토류를 탐사하는 데에도 수직으로 시추하는 기존 방법보다 효율적이다. 개발된 몰봇은 한국산업기술시험원의 공인인증 평가에서 드릴의 방향을 바꾸어 시추하던 기존의 방식에 비해 굴착공 내에서 자유로운 방향 전환과 빠른 속도, 정확한 위치 인식, 정확한 방향성을 보였다. 

명 교수는 “개발한 로봇은 얕은 깊이에서는 매우 효율적이지만, 석탄층메탄가스나 셰일가스 등 신에너지원 탐사에 적용하기 위해서는 더 깊은 곳까지 시추할 수 있도록 추가연구가 필요하다”며 연구의 발전 방향을 밝혔다. 이어 명 교수는 “개발한 지하 위치인식 기술은 지하 관수로의 지도 제작뿐만 아니라 우주 개발의 일환인 행성 탐사시 샘플 채취에도 활용될 수 있을 것이다”라고 연구의 확장 가능성을 전했다.