지느러미 광선 효과와 강화학습을 이용한 연성 생체모방 판가시우스 물고기 로봇의 설계 및 제어

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21861(2022) 이 기사 인용

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소프트 로봇은 생물학적 생물체를 정확하게 모방하고 생태계에 대한 침입이나 방해를 최소화하면서 환경에 통합될 수 있는 경로를 제공합니다. 부드럽게 변형되는 재료로 만들어진 이 로봇은 생명체의 신체 및 기관과 유사한 구조적 특성과 동작을 가지고 있습니다. 그러나 통합된 작동 및 감지, 정확한 모델링, 정밀한 제어 측면에서 개발이 어렵습니다. 이 기사에서는 Pangasius 물고기에서 영감을 받은 연성-강성 하이브리드 로봇 물고기를 소개합니다. 로봇은 서보 모터로 구동되는 유연한 지느러미 광선 꼬리 구조를 사용하여 로봇의 연체 역할을 하고 물고기의 꼬리 지느러미에 물결 모양의 움직임을 제공합니다. 모델링 및 제어 문제를 해결하기 위해 로봇 물고기가 수영하고 지정된 목표 목표에 도달할 수 있도록 모델 없는 제어 전략으로 강화 학습(RL)이 제안되었습니다. 실제 하드웨어에 대한 실험을 통해 RL을 훈련하고 조사함으로써 물고기가 필요한 작업을 학습하고 달성하는 능력을 보여줍니다.

수중 깊이는 인간이 모험하기 매우 어려운 환경임이 입증되었습니다. 연구원과 엔지니어는 이러한 위험한 작업을 수행하기 위해 수중 로봇 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 해양 조사 및 해양 생물 탐사부터 수중 임무 수행 및 샘플 수집, 해양 및 수중 구조물의 모니터링 및 유지 관리에 이르기까지 예측할 수 없는 혹독한 조건에서 많은 복잡한 작업을 수행해야 합니다. 이러한 수중 작업은 일반적으로 원격 조종 차량(ROV) 및 자율 수중 차량(AUV)과 같은 수중 차량을 사용하여 수행됩니다. 그러나 AUV는 현재 중심도 탐사 작업으로 제한되는 반면 ROV는 심해저 조사에 더 적합하지만 테더링 및 수동 조종 요구 사항으로 인해 제한됩니다. 또한 이러한 시스템은 주로 기동성, 주변 환경과 안전하게 상호 작용하는 능력 및 예측할 수 없는 수생 기후에 대한 적응성을 제한하는 견고한 부품으로 만들어집니다1. 생체모방공학과 소프트 로봇공학의 새로운 기술 발전을 활용하면 보다 자연스럽게 작동하고 이러한 가혹한 환경을 견딜 수 있는 로봇 시스템을 구축할 수 있는 유망한 솔루션을 제공합니다2,3.

다양한 생물학적 해양 생물을 연구하면 그들이 광대한 해양 지역에 살고 거주할 수 있는 특성에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 수중 생물의 형태, 수영 및 운동 기술, 감각 능력에서 영감을 얻어 이러한 생물과 유사한 생체 영감을 받은 로봇 시스템을 개발하는 데 도움을 주어 이 로봇을 수중 응용 분야에 더 적합하게 만듭니다. 수중 생물 사이의 수영 동작은 그러한 생물의 형태학적 구조와 모양에 따라 다양한 이동 기술을 보여줍니다4. 대부분의 수생 생물은 유연한 몸체를 갖고 있으며 이동에 필요한 추진력을 생성하기 위해 몸체 변형에 의존합니다. 물고기의 수영 동작에 대한 가장 일반적인 분류는 물고기의 해부학적 구조와 추진기에 따라 채택되었습니다5. 다양한 기복 또는 진동 주파수로 몸과 지느러미를 움직여 물고기는 전진, 회전 및 탈출 기동에 필요한 추력을 생성할 수 있습니다. 이 분류는 주로 물고기와 바토이드 수영과 관련이 있지만 해파리, 거북이, 극피동물, 갑각류와 같은 다른 해양 생물은 제트 추진, 항력 유도 수영, 크롤링과 같은 다양한 유형의 이동을 사용합니다. 또한 여러 연구에서는 물고기의 개인 및 그룹 행동과 생체 모방 물고기 로봇6,7,8,9,10과의 사회적 상호 작용에 중점을 두었습니다. 이러한 조사는 물고기 행동과 상호 작용하고 연구하기 위한 물고기 유사 로봇의 사용과 혼합 표현형 집합을 담당하는 메커니즘에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 불안 치료 및 정보 전달과 같은 추가 사회적 분석을 위한 바이오하이브리드 자극을 제공합니다.