[미국] 코렐대학 연구팀, 달팽이서 영감 받은 해양 미세 플라스틱 청소 로봇 프로토타입 개발

『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』에 연구 논문 게재

달팽이에서 영감을 받아, 코넬 대학 과학자들은 바다와 호수 표면에서 미세 플라스틱을 퍼낼 수 있는 로봇 프로토타입을 개발했다 [사진출처(Photo source) = Cornell University]

 

달팽이에서 영감을 받아, 코넬 대학 과학자들은 바다와 호수 표면에서 미세 플라스틱을 퍼낼 수 있는 로봇 프로토타입을 개발했다. 이 로봇의 디자인은 하와이 사과 달팽이(Pomacea canaliculate)에서 영감을 받았다.

이 달팽이는 수족관에서 흔히 볼 수 있는 달팽이로, 물결 모양의 움직임을 이용해 수면의 흐름을 유도하고 부유하는 음식 입자를 빨아 들인다.

현재 플라스틱 수거 장치는 대부분 드래그 네트 또는 컨베이어 벨트에 의존해 물에서 플라스틱 잔해를 모으고 제거하지만 미세 플라스틱을 회수하는 데 필요한 미세 스케일이 부족하다. 

유엔 경제사회이사회(United Nations Economic and Social Council)에 따르면 플라스틱 폐기물은 전체 해양 오염의 80%를 차지하며, 매년 800만 톤에서 1천만 톤의 플라스틱이 바다에 버려진다.

서니(Sunny) 정성환 농업및생명과학대학(CALS)의 생물및환경공학과 교수이자 대학원연구책임자는 “우리는 달팽이가 ‘물과 공기’의 경계면에서 음식 입자를 모으는 방법에서 영감을 받아 바다나 수역의 표면에서 미세 플라스틱을 수집할 수 있는 장치를 설계했다"고 말했다. 

정 교수는 ‘물결 모양의 카펫에 의한 최적의 자유표면 펌핑(Optimal free-surface pumping by an unwavating carpet)’이라는 연구의 수석 저자로, 이 논문은 지난 11월 25일 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』에 온라인으로 게재됐다.

프로토타입은 실제 환경에서 사용하기 위해 스케일업이 필요하다. 

코넬 대학교(Cornell University)생물및환경 공학 교수인 Sunny Jung(맨 오른쪽)과 연구 공동 저자인 Jisoo Yuk, Chris Roh 및 Yicong Fu(왼쪽부터)가 달팽이에서 영감을 받은 로봇의 시연을 지켜보고 있다 [사진출처(Photo source) = Cornell University]

연구원들은 3D 프린터를 사용해 물결 모양을 구현할 수 있는 유연한 카펫 모양의 시트를 만들었다. 시트 밑면에 있는 나선형 구조물은 코르크 스크류(corkscrew)처럼 회전해 카펫이 물결처럼 움직이고, 물 위에 파도를 만들 수 있도록 했다. 

정 교수는 ”이 연구의 핵심은 유체의 움직임을 분석하는 것“이라며 ”펌핑 동작을 특성화하기 위해 유체 흐름을 이해해야 했다“라고 말했다. 달팽이의 움직임에서 영감을 받은 유체 펌핑 시스템은 공기에 노출돼 있다. 

연구원들은 펌프가 밀폐돼 있고 튜브를 사용해 물과 입자를 빨아들이는 폐쇄 시스템이 작동하려면 강한 에너지가 필요할 것이라고 계산했다. 

반면 달팽이와 같은 개방형 시스템은 더 효율적이다. 예를 들어, 정교수는 “프로토타입은 작지만 5볼트의 전기로만 작동하면서 동시에 효과적으로 물을 빨아들인다”고 말했다.

연구원들은 배터리와 모터의 무게 때문에 로봇이 가라앉는 것을 막기 위해 부양 장치를 부착해야 할 수도 있다고 말했다.

연구의 공동저자로 크리스 노(Chris Roh) 생물및환경공학과(CALS) 조교수, 육지수(Jisoo Yuk) 정 연구실의 전 대학원생, 타카기 다이스케(Daisuke Takagi) 하와이대학교 수학과 부교수, 이성연(Sungyon Lee) 미네소타대학교 기계공학과 부교수가 참여했다. 

이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 자금 지원을 받았다.

[원문보기]

Snail-inspired robot could scoop ocean microplastics

 

Inspired by a small and slow snail, scientists have developed a robot prototype that may one day scoop up microplastics from the surfaces of oceans, seas and lakes.

The robot’s design is based on the Hawaiian apple snail (Pomacea canaliculate), a common aquarium snail that uses the undulating motion of its foot to drive water surface flow and suck in floating food particles.

Currently, plastic collection devices mostly rely on drag nets or conveyor belts to gather and remove larger plastic debris from water, but they lack the fine scale required for retrieving microplastics. These tiny particles of plastic can be ingested and end up in the tissues of marine animals, thereby entering the food chain where they become a health issue and potentially carcinogenic to humans. Plastic waste makes up 80% of all marine pollution, with 8 to 10 million metric tons of plastic ending up in the ocean each year, according to the United Nations Economic and Social Council.

“We were inspired by how this snail collects food particles at the [water and air] interface to engineer a device that could possibly collect microplastics in the ocean or at a water body’s surface, ” said Sunghwan  “Sunny” Jung, professor and director of graduate studies in the Department of Biological and Environmental Engineering in the College of Agriculture and Life Sciences (CALS). Jung is senior author of a study, “Optimal free-surface pumping by an undulating carpet,” which published online on Nov. 25 in Nature Communications.   

The prototype, modified from an existing design, would need to be scaled up to be practical in a real-world setting. The researchers used a 3D printer to make a flexible carpet-like sheet capable of undulating. A helical structure on the underside of the sheet rotates like a corkscrew to cause the carpet to undulate and create a travelling wave on the water.

Analyzing the motion of the fluid was key to this research. “We needed to understand the fluid flow to characterize the pumping behavior,” Jung said. The fluid-pumping system based on the snail’s technique is open to the air. The researchers calculated that a similar closed system, where the pump is enclosed and uses a tube to suck in water and particles, would require high energy inputs to operate.  On the other hand, the snail-like open system is far more efficient. For example, the prototype, though small, runs on only 5 volts of electricity while still effectively sucking in water, Jung said.

Due to the weight of a battery and motor, the researchers may need to attach a floatation device to the robot to keep it from sinking, Jung said.

Anupam Pandey, a former postdoctoral researcher in Jung’s lab, currently an assistant professor of mechanical engineering at Syracuse University, is the paper’s first author. 

Co-authors include Chris Roh, assistant professor of biological and environmental engineering (CALS); Jisoo Yuk, Ph.D. ’20, a former graduate student in Jung’s lab; Daisuke Takagi, associate professor of mathematics at the University of Hawaii; and Sungyon Lee, associate professor of mechanical engineering at the University of Minnesota.

The study was funded by the National Science Foundation.

[출처 = Cornell University(https://news.cornell.edu/stories/2023/12/snail-inspired-robot-could-scoop-ocean-microplastics) / 2023년 12월 4일]