2.1. Characteristics of squid
- 두족류 : 십완목(十腕目)에 속하는 연체동물
- 몸길이 : 최소 2.5cm에서 최대 15.2m까지 자람
- 서식장소 : 연안에서 심해
- 생식시기 : 4월～6월
- 분포 : 전세계의 바다에 약 450～500종, 북태평양에 90～100종, 한국의 바다에는 10여종이 분포한다.
2.2. Squid movement
오징어는 몸통 양옆으로 나 있는 지느러미의 채찍 형상의 거동과 누두를 통한 물의 분출로 추진력을 얻는다. 이때 지느러미의 채찍 혹은 파동형의 거동으로 오징어는 물에 의한 작용-반작용 때문에 앞으로 나아갈 힘을 얻는다. 이 과정에서 오징어는 양옆으로 나있는 지느러미로 불균형적으로 운동하거나 지느러미를 펼친 상태로 활강하며 운동한다.
Squid fin movement
A squid mainly uses its fins to propel in the water, and the fins repeatedly vibrate like waves, pushing the water to the end of its fins. 이때 운동량보존 때문에 앞으로 추진하게 된다. 척추동물과 달리, 오징어는 민말이집 신경을 가진다. 민말이집 신경에서의 흥분의 전도는 활동전위의 이동을 통해 이루어진다. 오징어는 민말이집 신경의 축삭돌기의 반경을 확장해 활동전위의 이동속도를 높인다. 이러한 과정을 통해 오징어는 지느러미 운동을 하게 되고 추진력을 얻는다.
2.3. 생체 모방 기술
Biomimetic technology is a technology that derives a principle from the characteristics of organisms that have evolved to be optimized for the surrounding environment and creates it as a new technology. In the case of early biomimicry technology, the degree of development was immature and the grafting between the biomimicry technology and the applied object was not done well, so it was mainly used for military purposes. However, over time, by overcoming technological limitations, the scope of use of biomimetic robots is expanding. In particular, since it is difficult for humans to work underwater, biomimetic robots that imitate mechanisms such as the movement of aquatic organisms solve noise and energy efficiency problems, and active exploration activities are underway. Recently, as for biomimetic technology, technologies that can think logically like artificial intelligence by imitating not only the appearance of an organism but also a mechanism such as a human neuron are being developed.
2.4. 수중드론에 이용된 기술
크랭크 축
크랭크축(crank軸)은 크랭크와 연결되어 왕복 운동과 회전 운동간의 변환을 수행하는 기계요소이다. 크랭크축은 크랭크 주축과 크랭크 핀, 웹 그리고 벨런스 웨이트로 이루어져 있다. 크랭크 핀은 커넥팅로드와 연결되는 부위이며, 격자 형태로 되어있어 왕복 운동을 회전운동으로 변환할 수 있다. 크랭크 웹은 핀들을 연결하는 역할을 하고, 벨런스 웨이트는 진동을 억제하는 등 평형을 유지하는 역할을 한다. 끝부분에 연결된 원판은 플라이휠(fly wheel)로 에너지를 저장했다가 클러치와의 마찰을 통해서 변속기에 동력을 전달하는 역할을 한다. 여기서 크랭크축은 크랭크축을 통하여 캠축을 돌림으로써 흡, 배기를 제어하고, 발전기를 통해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 저장하고, 냉각수와 오일의 순환을 돕는다. 또한 이 크랭크축의 동력을 타이밍 벨트가 다시 전달하여 동력을 전달하게 된다.
본체에 작용하는 힘
압력
수중 기기에 가해지는 압력은 다음과 같다.
대개의 잠수하는 모델(잠수함이나 여타 해저 탐사 드론)의 경우 물의 압력의 영향을 크게 받는다. 본 오징어 모방 드론은 약 10m가량 잠수할 예정이므로 견뎌야 할 압력은 다음과 같다.(수온은 섭씨 20도)
| °C | °F | kg/m³ | D(kg/L) |
| 0.0 | 32.0 | 999.8425 | 0.9998425 |
| 4.0 | 39.2 | 999.9750 | 0.9999750 |
| 15.0 | 59.0 | 999.1026 | 0.9991026 |
| 20.0 | 68.0 | 998.2071 | 0.9982071 |
| 25.0 | 77.0 | 997.0479 | 0.9970479 |
우리가 만든 오징어 모방 수중 드론의 경우 위 식을 이용하면
의 압력을 버텨야 한다. 2기압의 경우 카메라 장비 등의 기기에는 영향이 거의 없을 것으로 보이나 외부가 고압을 이루고 있으므로 물의 유입의 위험성이 증가하여 방수처리에 촉각을 기울여야 한다.
부력
부력은 물체를 유체 속에 넣으면 그 물체를 중력에 저항하여 위로 밀어올리려는 힘이다. 물체를 유체속에 넣으면 물체의 윗 부분과 아랫부분의 압력차가 생기게 되고, 이 압력차에 의해 물체는 부력을 받게 된다. 이 때 부력의 크기는 유체 속에 잠긴 물체의 부피와 같은 부피의 유체의 무게와 같다. 따라서 아르키메데스 법칙에 의해 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
본 오징어 모방 드론의 경우 본체 자체에서 부력을 발생시키는데 어려움을 겪어 페트병 등 가벼운 소재를 이용하여 부력을 발생시키고자 하였다.
추진력
우리가 만들 오징어 모방 드론의 경우 스크류를 사용하지 않고 오징어의 지느러미 움직임을 모방하여 추진력을 얻어 운동한다.
항력
항력은 물체가 유체 내를 움직일 때 유체 내에서 이 움직임에 저항하는 힘이다. 이는 다음과 같은 항력방정식에 의해 나타낼 수 있다.
항력 극복을 위한 동력은 다음과 같이 유도된다.
2.5. 본체 제작을 위한 기술 및 재료
위에서 언급했듯이 수중드론이므로 내부 방수처리는 물론이거니와 물의 저항을 이겨내기 위해 조밀하고 튼튼하면서도 크랭크 축의 출력으로 움직일 수 있는 소형구조물을 만드는데 초점을 두었다.
마이크로 레이저 조각기와 3D 프린터
방수처리의 핵심은 물에 젖지 않는 재료와 재료를 연결하여 생기는 이음새를 처리하는 것이다. 이때 관건은 이음새가 깔끔하게 정리하는 것으로 사포질로도 약간의 불안요소가 남아 레이저 조각기를 통해 이음새들을 정리하였다.
적층형방식(매질을 층층이 쌓아 올려 조형하는 방식)을 이용하였다. 학교에 배치된 적층형 3D프린터를 사용하여 본체를 제작하였다. 시간이 오래 걸리지만 미세한 틈이 없고 미세한 사이즈나 구조도 구현되어 본체를 만드는데 적합한 방식이라 판단하였다.
내시경 카메라
내시경 카메라는 전반사의 원리를 기본으로 한다. 어떤 영상을 촬영해서 디지털신호로 저장하는 일반적인 카메라와 달리 광섬유를 이용하여 전반사된 빛을 영상으로 바로 출력하기 때문에 첨두 부분을 소형으로 만들 수 있어 수중 드론에 사용하기 적합하다고 판단하였다. 전반사는 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때 입사각이 임계각보다 클 경우 경계면에서 전부 반사(100% 반사)되는 현상이다. 이때 임계각은 Snell의 굴절법칙에 의해 다음과 같다.
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