때때로 오염수는 바다나 풀에서 수영하는 것을 위험하게 하지만, 다른 한편으로는 물벌레(water boatman)와 같은 수중생물은 생존을 위해 더러운 물에서 영양분이 필요하다. 물방개(water beetles)와 다른 수영 곤충으로부터 영감을 얻은 영국 브리스톨 대학교 로봇 연구소(BRL, Bristol Robotics Laboratory) 연구진들은 더러운 물에서 생존하는 로우-봇(Row-bot) 개발에 성공했다. 이 로봇은 물벌레가 이동하고 수영하는 더러운 물에 있는 풍부한 유기물질 입자를 섭취하는 방법을 모방한 것이다.
이 로우-봇(Row-bot) 프로젝트는 환경에서 에너지를 공급받으면서 멀리 떨어진 구조화되지 못한 공간에서 무한하게 작동하는 자동 수영 로봇을 개발하는 것이 목표이다. 전력공급이 필요하면, 이 로봇은 부드러운 로봇 혀를 내밀어 영양분이 풍부한 더러운 물로부터 자체의 미생물 연료전지(MFC, microbial fuel cell)를 충전시킨다. 그다음, 입을 닫고 그 영양분을 천천히 소화시킨다. 미생물 연료전지(MFC) 위 부분은 생물체에서 영감을 얻은 메커니즘을 사용하여 전기를 생산하기 위해 유기물질의 생분해(bio-degradation) 방식을 사용한다. 전기에너지를 재충전한 다음, 이 로봇은 새로운 장소로 이동하여 다른 오염된 물의 영양분을 찾게 된다.
브리스톨 대학교 및 브리스톨 대학교 로봇 연구소(BRL) 로봇학 교수인 조나단 로씨터(Jonathan Rossiter) 교수는 "이 연구결과는 장기간 자체적으로 전력을 공급받는 자율 로봇 개발에서 중대한 전진을 보여준다. 대부분 로봇은 충전 또는 연료의 재공급이 필요하여, 종종 사람의 개입이 필수적"이라고 말했다.
박사과정 학생인 헴마 필라모어(Hemma Philamore)씨는 "우리는 이 로봇이 원유의 누출과 해로운 적조와 같은 오염물질의 환경적 청소활동 그리고 장기적으로는 자연재해와 인간이 만드는 재해로 말미암아 발생하는 위험한 환경적 위해에 대한 자동 모니터링에 사용될 수 있기를 희망한다"고 덧붙였다.
프로토타입 로봇은 2가지의 서브시스템으로 구성되어 있다. 그것은 생물학적으로 영감을 받은 에너지 소스와 생물학적인 영감으로 제작되어 작동되는 시스템이다. 첫 번째 서브시스템은 로봇의 전력 생산 능력을 보여준다. 두 번째 복합 시스템은 원료공급 프로세스부터 시작하여 첫 번째 시스템에서 생산된 에너지보다 적게 사용하여 로봇을 움직일 수 있도록 한다. 이것은 미생물 연료전지(MFC) 내부의 미생물학적 신진대사를 지원하기 위해 주위의 액체에 포함된 화학적 에너지원을 섭취하도록 설계되었다.
액체와 퍼져 있는 입자상 물질을 섭취하기 위해 넓은 부리와 같은 입을 가진 물벌레(water boatman)의 원료섭취 시스템을 모방하여, 이 로봇은 플렉시블한 아세테이트 봉투와 같은 구조체의 굽힘 현상을 통해 미생물 연료전지(MFC)의 양 끝단부에 있는 입과 같은 성능을 가진 오리피스의 개폐를 통해 미생물 연료전지(MFC) 위 부분으로 원료를 공급시킨다. 이러한 시스템 모두를 사용하여, 로봇은 액체 내에 충분한 에너지를 포함한 물과는 완전히 독립적으로 된다.
이 로봇은 브리스톨 대학교와 브리스톨 웨스트 잉글랜드 대학교(UWE Bristol)와 공동으로 브리스톨 대학교 로봇 연구소(BRL)의 박사과정 학생인 헴마 필라모어(Hemma Philamore)씨와 그녀의 박사과정 지도교수들에 의해 개발된 것이다. 그녀의 지도교수는 브리스톨 대학교 엔지니어링 수학과(Department of Engineering Mathematics) 조나단 로씨터(Jonathan Rossiter) 교수와, 웨스트 잉글랜드 대학교 브리스톨 바이오에너지 센터(Bristol BioEnergy Centre)의 이오아니스 이에로파울로스(Ioannis Ieropoulos) 교수이다.
A row-bot that loves dirty water
Polluted water can at times make swimming in the sea or a pool risky, on the other hand aquatic organisms such as water boatman need the nutrients in dirty water to feed on. Taking inspiration from water beetles and other swimming insects, academics at the Bristol Robotics Laboratory (BRL) have developed the Row-bot, a robot that thrives in dirty water. The Row-bot mimics the way that the water boatman moves and the way that it feeds on rich organic matter in the dirty water it swims in.
The Row-bot project aims to develop an autonomous swimming robot able to operate indefinitely in remote unstructured locations by scavenging its energy from the environment. When it is hungry the Row-bot opens its soft robotic mouth and rows forward to fill its microbial fuel cell (MFC) stomach with nutrient-rich dirty water. It then closes its mouth and slowly digests the nutrients. The MFC stomach uses the bio-degradation of organic matter to generate electricity using bio-inspired mechanisms. When it has recharged its electrical energy stores the Row-bot rows off to a new location, ready for another gulp of dirty water.
Jonathan Rossiter, Professor of Robotics at the University of Bristol and BRL, said: "The work shows a crucial step in the development of autonomous robots capable of long-term self-power. Most robots require re-charging or refuelling, often requiring human involvement."
Hemma Philamore, PhD student, added: "We anticipate that the Row-bot will be used in environmental clean-up operations of contaminants, such as oil spills and harmful algal bloom, and in long term autonomous environmental monitoring of hazardous environments, for example those hit by natural and man-made disasters."
The prototype robot combines two subsystems; a bioinspired energy source and bio-inspired actuation. The first subsystem shows the power generation capability of the robot. A second duplicate system starts the refuelling process and moves the robot with an energy requirement that is less than the energy generated by the first system. This is achieved by feeding on chemical energy contained in its surrounding fluid to support microbial metabolism inside the MFC.
Mimicking the water boatman's feeding mechanism, which employs a broad beaklike mouth to sweep in both fluid and suspended particulate matter, the Row-bot feeds its MFC stomach by opening and closing the mouth-like orifice at each end of the MFC through the bending of a flexible acetate envelope structure. By using both these systems the robot can be totally independent in water providing enough energy is available in the fluid.
The Row-bot was developed at the Bristol Robotics Laboratory, a collaboration between the University of Bristol and UWE Bristol, by PhD student, Hemma Philamore and her PhD supervisors; Professor Jonathan Rossiter from the University of Bristol's Department of Engineering Mathematics and Professor Ioannis Ieropoulos from the Bristol BioEnergy Centre at the University of the West of England.
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