성게의 입에서 착안한 화성탐사선 채취 장비

성게는 우리에게 레스토랑의 별미지만, 사실은 그 자신이 대식가이다. 가시가 많은 이 무척추 동물은 강력한 입을 갖고 있어 주변의 무엇이든 부수어 먹어치울 수 있는 능력을 갖고 있다. 이러한 능력에서 영감을 얻은 캘리포니아 대학교의 엔지니어들은 로봇 탐사선을 위해 발톱같은 조작기를 개발 중이다. 임무는 행성에서 흙과 같은 샘플을 제대로 채취하는 것이다.

지난 수 십년 간 최첨단 기기들이 태양계 내에 위치한 행성들로 본졌다. 이들 중 많은 경우, 로봇 팔이 장착되었으나 문제는 너무 단순하게 설계되어 행성 표면의 흙 샘플 등을 채취하는데 문제가 있었다는 것. UC San Diego팀에 따르면, 그 해결책을 바닷속 성게의 입에서 찾았다고. 몸체의 아랫 쪽에 위치한 성계의 입은 5개 커브로 이루어진 별 모양의 이빨을 갖고 있다. 이 돔 형태의 근육 프레임은 바깥 쪽 방향으로 열리고 안쪽으로 닫히는 구조로 성계가 자르고, 긁어내고, 씹고, 그리고 단단한 돌에 구멍을 뚫을 수 있게 해준다.

이를 흉내낸 발톱(UC San Diego Claw)은 샘플 채취 능력에서 잠재성을 갖고 있는데 정밀함과 효율성 면에서 기존 삽 형태의 방법보다 우수할 것으로 보고 있다. 연구팀은 특히, 북아메리카 서쪽 앞바다 수심 100~1,000m 지대에 서식하는 핑크 성계(Pink sea urchin)에 관심을 두고 있다. 성계의 입 부분을 분리해낸 후 마이크로 컴퓨터 단층촬영기를 이용하여 3D 마이크로스코프 이미지를 얻어내고, 미세한 구조를 연구하기 위해 이빨 각각의 스캔 사진도 찍었다.

이 자료를 기반으로 성게 입의 정확한 디지털 모델을 구축할 수 있었다. 성게 입의 구조가 어떻게 물리적 힘에 대응하는지, 스트레스에 어떻게 견뎌내는지 등을 연구하게 된다. 일부는 밝혀졌는데, 각각의 이빨의 중간으로 내려오는 킬(keel)이라 불리는 T-모양의 구조는 매우 중요한 요소가 되겠다. 컴퓨터 시뮬레이션은 킬이 이빨에 가해지는 4.5kg의 하중의 스트레스를 16% 감소함을 밝혀냈다.

연구팀은 역설계 방식(Reverse Engineer)을 이용하여 디지털 파일을 생성하고 3D프린팅을 이용하여 몇 개의 프로토타입을 만들었다. 몇 차례의 시행 착오 끝에 최종 디자인이 성공하였고, 구조를 완성한 연구팀은 미니어쳐 원격조종 차량의 로봇 팔로 달아 해변에서 테스트를 시행했다. 이 테스트가 성공하자 이번에는 습도와 밀도가 화성 토양과 동일한 조건으로 환경을 시뮬레이션하여 다시 테스트를 하였는데 이번에도 효과적으로 대응하는데 성공했다.

연구팀은 이 시스템이 소형 탐사차량에 장착되어 각종 샘플을 채취하고 주 탐사선으로 돌아와 분석하는 ‘탐사대’에 적용될 수 있다고 밝혔다. 이 연구 결과는 비쥬얼 실험 저널(Journal of Visualized Experiments) 지에 실렸다.