로봇 곤충 날개

요약

하버드 대학교 엔지니어링 및 응용과학부는 자연 상태의 곤충 날개와 마이크로 가공 실리콘 금형 및 인공 날개 간의 관계를 정량화하기 위한 계측 장비가 필요했습니다.

공학 및 응용 과학 대학(SEAS)은 공학, 응용 과학 및 기술 분야에서 하버드의 교육 및 연구 결실을 연결하고 통합하는 동시에 산업 및 정부 연구소와의 관계를 강화하거나 새로운 벤처 기업을 위한 ‘배양기’ 역할을 합니다.

SEAS 내에는 다양한 수상 경력을 바탕으로 모바일 마이크로 로봇 디자인, 제조, 제어, 분석 계통의 연구를 진행하는 Robert Wood 교수의 연구소가 있습니다. 그의 연구소는 자연에서 영감을 얻은 마이크로 제조 및 마이크로 시스템 디자인을 전문으로 하며, 이를 통해 공중 및 육지 환경에 특화된 고성능 마이크로 로봇을 개발했습니다. 이러한 시스템들은 인명 탐색 및 구조, 위험 환경 탐험, 환경 탐색, 모니터링, 정찰 등의 역할을 수행할 수 있습니다.

Wood 교수의 연구소에서 사용하는 Olympus OLS4000 레이저 컨포칼 시스템은 마이크로 금형 및 인공 곤충 날개의 제작에 필요한 정확한 형태학적 계측 데이터를 제공하는데 사용됩니다.

자연의 재현

인공 날개 제조 시 작은 디테일도 놓치지 않는 정확성이 매우 중요하며, 이는 프로필 계측에서 특히 중요하게 작용했습니다. 이 프로젝트는 광학 계측 장비를 더 선호했기 때문에 SEM과 스타일러스 프로필로미터 대신 Olympus LEXT OLS4000 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경이 선택되었습니다. SEM이 선택되지 않은 이유는 SEM이 높이를 계측할 수 없다는 점과 스타일러스 팁(일반적으로 사각형 피라미드 형태를 가짐)이 사이드월에 걸려 바닥에 닿지 못해 스타일러스 프로필로미터가 측정할 수 없는 영역이 존재했기 때문이었습니다. OLS4000의 특징 중 하나는 깊은 틈과 85도의 경사면을 가진 벽을 빠르고 정확하게 계측한다는 점입니다.

실제 날개 인공 날개

공정 방식의 정량화

꽃등에 날개의 공식 디자인이 완성된 이후, 제조의 기반이 되는 금형을 만들어야 했습니다. 날개의 상단 및 하단의 복잡한 해부학적 특징들을 실리콘 금형에 재현하기 위해 많은 노력이 필요했습니다.

금형 재질로 실리콘이 선택된 이유는 레이저 절제 식각 속성과 호환성이 좋기 때문이었습니다. 레이저 절제는 에칭과 정확한 디테일을 재현하기 위해 반복적으로 사용되었습니다. 10μ의 얇은 점막, 50-125μ의 혈관 높이, 100μ의 주름 높이는 절대 쉽게 완료할 수 있는 작업이 아닙니다.¹ OLS4000는 이 세가지 마이크로 수준의 특징들을 절제 공정 중 빠르게 점검하는데 사용되었습니다. 절제 실행을 마칠 때마다 OLS4000를 통해 ±0.3 마이크론/단계의 허용 오차를 기준으로 식각 깊이에 대한 피드백이 제공되었습니다. OLS4000를 통해 실행된 스캔은 1분 미만이라는 빠른 속도로 결과를 도출하여 추가 절제가 필요한지 여부를 결정하는데 기여했습니다. 그 결과로 계측된 자연 상태의 날개, 금형, 새로 제조된 인공 날개의 표면 프로필을 통해 이 새로운 복제 금형 방식이 갖는 높은 정확성을 시연할 수 있었습니다.

사각형 채널 측정

앞서 기술한 것과 같이 제조된 날개의 형체도 계측을 통해 자연 상태의 날개와 일치시켜야 했습니다. 날개의 구조뿐만 아니라 날개의 프로필 또한 다양한 비행 성능 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 곤충의 날개 프로필은 공기역학적 양력과 항력 수준에 영향을 미칩니다. 특히 날개 프로필은 날개의 유연성과 펄럭임 운동에 의한 비행 시 날개의 변형을 결정하는 중요한 요소입니다.

LEXT OLS4000은 듀얼 컨포칼 핀홀과 탐상기를 통해 시스템의 민감도를 향상시켜 최대 85도의 경사를 가지는 사이드월을 계측할 수 있습니다. Tanaka 박사의 금형 디자인은 높은 종횡비를 가진 깊은 에칭된 U형 채널을 필요로 했으며, 이와 같은 중요 표면 특징을 정확하게 계측할 수 있는 레이저 스캐닝 컨포칼 시스템은 OLS4000이 유일했습니다.

이에 더해 OLS4000의 합성 역량 또한 넓은 시야에 걸쳐진 구조적 특징을 계측하는데 핵심적인 역할을 수행했습니다. 합성은 여러 고해상도 이미지를 이어서 하나의 큰 이미지를 만드는 소프트웨어 기술입니다. 이 기능을 사용하여 전체 날개에 대한 하나의 프로필 계측이 가능했습니다.

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