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물리
표면장력을 이용하여 만든 로봇은 어떠할까요???
아마도 가장 먼저 생각할 수 있는 것이 표면장력을 이용해서 물에 뜰 수 있는 로봇을 만드는 것일 겁니다. 아래에 2015년 8월에 발표된 서울대학교 연구진의 ‘소금쟁이 모사로봇’의 사례를 소개합니다.

“물가나 습지에 서식하는 다양한 소형 생물들은 주로 물의 표면장력을 이용하여 활동한다. 이들의 수상 거동은 다양한 방식으로 연구되고 응용되어 왔다. 특히 긴 다리를 자유자재로 움직여 수면에서 활주하고, 도약하는 소금쟁이의 거동은 정교함과 성능면에서 독보적이다. 이러한 소금쟁이의 수상 활주에 관하여 많은 연구가 이루어지고 응용되어 온 반면, 수상 도약에 대한 연구는 기초적인 단계에 머물렀었다.

기계항공공학부 김호영, 조규진 교수의 공동연구팀은 소금쟁이가 수면에서 도약할 때 표면장력을 최대한 이용하는 방식으로 운동함을 밝히고, 이를 응용하여 소금쟁이와 유사한 도약 성능을 보이는 수상 도약 로봇을 개발하였다.

연구결과에 따르면, 땅에서 뛰는 많은 동물들과 달리, 소금쟁이는 도약할 때에 수면을 단순히 아래로 누르지 않고 넓게 벌렸던 네 개의 다리를 회전시켜 가운데로 모으는 동작을 취한다. 이는 다리가 수면을 누르는 시간을 최대화하여 가속 시간을 늘릴 수 있는 이점이 있다. 소금쟁이는 또한, 수면을 누르는 동안에 표면 장력이 버틸 수 있는 한계 이하로 힘 조절을 한다. 이를 통해 운동 중에 수면이 뚫려 다리가 물에 빠지는 위험을 줄이고 가속을 최대화하여 매우 효율적으로 도약한다.

또한, 본 연구팀은 소금쟁이의 도약 특성 연구 결과를 바탕으로 표면장력을 활용한 효율적인 수상 도약을 구현할 수 있는 로봇을 개발하였다. 벼룩의 도약기관 구조를 모사한 토크 역전 메커니즘(torque reversal catapult mechanism)을 활용하여 소금쟁이의 다리 회전 및 추력 곡선을 모사하였고, 최대 추력이 표면 장력 허용 한계 이하가 되도록 액추에이터를 설계하였다. 또한, 입체 종이책을 만들 듯이 pop-up 공정으로 제작한 초경량 액추에이터에 가늘고 긴 형상합금 다리를 이어, 68mg의 초경량 로봇을 구현하였다. 본 로봇은 수면을 뚫지 않고 표면장력을 최대로 이용하며, 지상에서 뛰는 높이만큼 물에서도 뛰어오를 수 있다.

본 연구팀은 이 연구가 생물학자, 유체역학자, 로봇공학자의 노력이 합쳐져서 이루어진 융합연구의 대표적 성공 사례라고 밝혔다. 곤충 크기에서 단순한 기능을 수행하는 생체모방 로봇은 휴머노이드와 같은 고비용 로봇과는 차별되는 분야에서 이용될 수 있어서 세계적으로도 큰 관심을 받고 있다. 가까운 미래에 소형 로봇은 재해나 오염지역, 전장에서 대량으로 흩어져 감시, 정찰, 인명 발견 등의 목적에 사용될 것으로 연구팀은 전망했다.

연구 결과는 ‘SCIENCE’ 7월 31일자 온라인판에 게재되었다.
(논문명: Jumping on water: Surface tension-dominated jumping of water striders and robotic insects)”
감사합니다!! lisa66**
레고 정도크기의 물체의 입장에서 시간은 우리가 느끼는 길이와 같을까요?
네, 같습니다. 사실상 시간의 길이는 물체의 크기와 관계된 것이 아니라 물체의 상대적 속도와 중력에 달려있는 것이기 때문에 기본적으로 물체의 크기와는 관계가 없습니다. 아인슈타인의 ‘특수상대성원리’에 따르면 빠르게 운동하는 물체를 바깥에서 볼 때 시간이 천천히 흐르는 것을 관찰할 수 있습니다. 또한 일반상대성원리에 따르면 중력이 강한 곳에서는 시간이 상대적으로 천천히 흐릅니다. (GPS에서 인공위성이 보낸 신호를 지표면에서 보정해야 하는 이유입니다.) 정리하자면 엄청나게 빠르게 운동하거나 강한 중력장 근처에 있을 때 시간이 (상대적으로) 천천히 흐른다고 생각할 수 있겠습니다. 여기서 굳이 ‘엄청나게 빠르게’ ‘강한 중력장’이라고 얘기한 것은 우리 인간이 생활 속에서 경험하는 보통의 속도나 중력의 차이로는 그 효과를 거의 감지할 수 없기 때문입니다.
마이페이지 Q질문내역에 안나와서 다시 질문드립니다..ㅜㅜ(질문 3번 추가했습니다!)

우주배경복사 관련 질문입니다.
1.우주배경복사(현재마이크로파)의 파장이 길어지는 이유는 무엇인가요?(도플러효과 영향도 있겠지만 다른 이유가 궁금합니다.)

2.그렇다면 현재 우주 전체에 퍼져있는 우주배경복사의 에너지는 보존이 되지 않는것 아닌가요?
(구글에서 찾아보니 '광자의 사라지는 에너지(내부에너지감소)가 공간을 확장시키는 에너지로 쓰인다(외부로의일)'고 볼 수 있다는 내용도 봤는데, 이해가 가질 않습니다. 공간을 확장된다라는것을 일로 얘기한다라..자유팽창인지도 모르겠고. 공간이 없다는게 상상이 안되니깐요.)

3.빅뱅이 모든 질량이 모여있는 점에서 출발했다면, 그것으로 공간이 팽창한다면 에너지로 공간이 생겨난다고도 생각할수 있을것도 같습니다.. 루디님의 생각을 듣고 싶습니다.
안녕하세요? 루디입니다. 답변이 늦어서 죄송합니다.
1. 파장이 길어지는 이유는 적색편이라고 부르는 도플러효과 때문입니다. 다른 이유는 없습니다. 우주배경복사는 우주가 팽창하면서 138억 년을 날아온 빛이라 극단적으로 파장이 길어진 경우입니다.
2. 에너지보존법칙은 전 우주에 적용되는 법칙입니다. 팽창으로 인해(마치 단열팽창처럼) 우주의 온도가 전체적으로 낮아지는 것이지 우주 전체 에너지가 공간을 확장시키는 일로 사라진 것은 아닙니다.
3. 앞 질문에 대한 대답에서도 얘기했지만 에너지로 공간이 생겨난다고 말할 수는 없습니다. 아직까지의 과학으로는 우주 전체의 에너지는 보존되어야 하기 때문입니다. 공간을 팽창시키기 위해 에너지를 사용한다고 말할 수 없는 것이죠. 공간을 팽창시키는 힘이나 에너지라는 말도 사실 부정확한 표현입니다. 왜냐하면 힘이나 에너지는 우리의 우주 공간 내에서만 성립하는 개념이기 때문입니다. 아직 우리는 공간 자체가 왜 팽창하는지 또 어떻게 팽창하는 건지 모르고 있습니다. 다만 암흑에너지가 중요한 역할을 하고 있으리라 추측할 뿐입니다.
얼마 전 스티븐 호킹 박사가 재미있는 것을 발표했더군요. 스마트폰 크기의 무인 탐사선을 이웃 항성계인 '알파 센타우리'로 보내서 20년 안에 행성을 찾겠다는 건데요. 무인 탐사선의 추진력을 지구에서 레이저를 쏘아서 가속시키겠다는 건데, 준비부터 발사까지 20년이 걸리고, 알파 센타우리까지 가는데 20년, 잘 알려져있다 싶이 '알파 센타우리'는 4.37광년이 떨어져있는 곳이구요. 그래서 최소한 사진을 받으려면 40년 이상이 걸릴 것이라고 합니다.
그렇다면 질문이 있습니다. 이 계획에서 가장 중요한 부분이 레이저를 쏘아서 가속력을 준다는 부분인데, 강한 고출력의 레이저를 지구상에서 쏘는 것보다는 지구 정지궤도에 정지위성을 올려서 거기서 레이저를 쏘는 방법이 더 효율적이지가 않을까요? 아무래도 지구상에서 레이저를 쏘다보면 각종 기상 현상에 의해서 레이저의 출력이 급격히 떨어질 텐데, 정지궤도에서는 그럴 영향이 없을 듯한데요. 아니면 라그랑주 포인트에 레이저 발사 위성을 올려서 거기서 무인 탐사선으로 레이저를 쏴도 될 것 같다는 생각도 들구요.
기술적인 문제라 저희가 대답하기 곤란한 부분이지만 ‘허핑턴 포스트’에 게재된 것을 토대로 저희의 ‘의견’을 말씀드립니다.
“‘레이저 비머’(laser beamer)는 우주선이 필요한 속도를 낼 수 있도록 100기가와트를 쏘아야 한다. 이 비머는 우주에서 만드는 것이 이상적이지만, 비용 문제 때문에 힘들 거라 한다. 게다가 ‘막대한 에너지 생산기를 우주에 두는 것은 정책상 용납될 수 없다. 그게 오용될 수 없게 해야 하기 때문이다. 그걸 잘못된 방향을 향하게 하면 안되지 않는가.’ (그러나) 이 프로젝트에 참여하고 있는 하바드 대학교 과학 교수 아비 로엡은 레이저의 파괴력은 대단치 않다고 말하며, ‘레이저 빔은 작은 대상을 태울 수는 있지만 광범위한 피해를 줄 수 있을 정도는 아니다’라고 허핑턴 포스트에 말했다 ... 밀너는 칠레의 아타카마 사막과 같은 고도가 높고 건조한 곳에 레이저 시스템을 지을 생각이다. 극지방이 아닌 사막 중 가장 건조한 곳인 아타카마에는 이미 세계 최대 규모 망원경들이 많이 있다. 레이저 집합체는 몇 분 동안 가동되며, NASA의 스페이스 셔틀 발사에 필요한 만큼의 에너지를 만들어 낼 것이다.”
정리하면 이렇습니다. 20g의 나노우주선을 가속시키기 위해서는 100 기가와트 출력의 레이저 비머가 필요합니다. 참고로 100 기가와트는 2016년 우리나라의 총 발전설비 용량입니다. 보통의 원자력 발전소 한 대가 생산하는 것이 1 기가와트 정도라고 보시면 됩니다. 따라서 이 정도의 출력의 레이저 비머를 우주 공간에 설치하는 데는 막대한 비용이 들거라는 거죠. 질문자께서 말씀하신 것처럼 아마도 레이저 비머를 우주로 보냈을 때의 장점과 그 비용을 서로 비교했을 때 지금의 기술력으로는 더 높은 출력이 필요하더라도 지구에서 쏘는 것이 효율적이라는 결론을 내린 것 같습니다. 참고로 이것을 우주에 띄울 경우 특정 집단에 의해 일종의 무기로 악용될 가능성에 대해 하버드 대학 교수 아비 로엡은 별 피해를 줄 수 있는 정도는 아니라고 하지만 예전에 미국이 계획했던 ‘스타워즈’ 계획을 떠올리면 반드시 그렇지는 않은 것 같습니다. 즉 상대방의 핵미사일을 발사 전에 레이저로 무력화시킬 수 있는 기술이라는 것이죠. 1983년 레이건에 의해 ‘스타워즈’ 계획이 발표되었을 당시에는 기술력 때문에 무산되었지만 만약 ‘레이저 비머’ 같은 것을 우주공간에 띄울 수 있는 기술력이라면 타국의 모든 미사일 발사체를 무력화시킬 수 있을 겁니다. 이것은 국제적 논란을 불러일으킬 수 있는 문제입니다.
질량에너지 등가원리를 보면 질량을 에너지로 바꾸는 예는 핵발전소나 핵폭탄처럼 실제 현실에 응용하고 있는데 에너지를 질량으로 바꾸는 예는 실험실에서 행해지는 쌍생성 정도로 알고 있습니다.

실제 현실에서 에너지를 질량으로 바꾸는 예가 적은 이유가 궁금합니다.
핵폭탄이 터질 때 그 에너지를 다시 질량으로 바꿀 수는 없는 것인가요?
간단히 말씀드리면 에너지는 흩어져서 다시 모이기 어렵기 때문입니다. 핵발전소나 핵폭탄의 경우를 보면 일정 질량이 에너지로 바뀔 때 운동에너지와 함께 엄청난 열에너지가 발생합니다. 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산되어 결국 평형상태에 도달합니다. 이것이 바로 열역학 제2법칙인 엔트로피 법칙입니다. 화학반응이나 핵반응에서 나온 열과 빛을 다시 한 곳으로 모아 물질로 환원시키기가 어려운 이유입니다.
오늘 라이브로 지구강연을 잘 들었습니다. 재밌게 들어면서 3주전 겪었던 이야기를 나눌까 하는데요. 지하철을 타고 가면서 아주 잘 익은 복숭아를 먹었습니다. 얼마나 잘 익었냐며 한입 배어 문 자리에 속까지(씨앗을 감싸는 딱딱한 씨앗껍질까지) 보이더라고요 그런데 씨앗껍질이 벌어져 안에 씨앗이 보였습니다. 그리고 그 순간 행성의 모습과 너무 닮았다는 생각을 하게 되었습니다. 그리고 그 순간 닮았다는 생각이 똑같아 보이기 까지 했는데요 그 점이 바로

1. 행성을 감싸고 있는 땅이 복숭아 씨앗을 덥고 있는 딱딱한 껍질같았다.
2. 행성의 땅 속 중앙에 핵이 있는 것 처럼 복숭아 씨앗껍질 안에 씨앗이 있다.
3. 단단한 씨앗 껍질은 씨앗을 보호하고 있다. 땅도 핵을 보호하고 있다.
4. 결국 씨앗은 열매를 맺기 위해서 껍질이 벌어져야 하고 행성도 성장하기 위해서 폭발해야 한다.
5. 폭발한다는 것은 충분히 핵 융합이 점점 늘어나서 일정량의 에너지가 만들어 졌을 때 땅이라는 껍질을 벗고 성장하는 것이라고 본다.

그래서 첫번째 결론은 행성도 폭발하는 것 멸망 또는 죽는것이 아니고 오히려 성장하는 것이라는 생각이 들더라고요 그리고 이 생각이 좀더 확장되면서

다양한 형태이긴 하지만 그래도 인터넷으로 좀 찾아보니 별이 폭발하면 성운이라는 형태도 생긴다는데 그 속에서 새로운 별들도 탄생한다고 하는 것을 보면 행성이 폭발을 통해서 오히려 성장을 하고 자라나는구나라는 생각이 들었습니다. 그리고 그 중에서 매우 질량이 높은 별은
블랙홀까지 만들어 낸다고 하는데 아무리 봐도 블랙홀의 특성인 모든것을 빨아들이고 심지어 빛까지 빨아들인다는 점이 마치 식물의 뿌리같은 역할을 하는 것 같단 생각이 들더라고요.에너지를 빨아들인다는 말은 반대로 에너지를 공급한다고 볼 수 있지 않나라는 생각이 든거죠 그래서 은하라는 거대한 나무에 에너지를 공급하고 지탱하는 느낌? 반대로 은하라는 거대한 힘이 유지하기 위해서는 그만큼의 강력한 에너지 제공을 해주는 것이 있어야 유지하지 않을까?
지구강연 들으면서 핵이 지구의 원동력이면 블랙홀은 은하의 원동력이라고 보여지는데
결국은 블랙홀은 나무에 비유하면 은하라는 나무의 뿌리다 라는 생각까지 하게 되었습니다. 이제 결론인데요 블랙홀이 에너지를 흡수하고 은하를 지탱하는 역할이 맞다면
블랙홀 원리를 파악해서 블랙홀 엔진도 만들 수 있지 않을 까 하는 생각에
요즘 식물의 뿌리를 통해서 블랙홀의 원리를 파헤쳐 보려 하는데요
이렇게 생각하는 제 생각!! 전문가들의 의견을 듣고 싶습니다.
재미있는 생각입니다. 대부분의 은하 중심에는 블랙홀이 있고 그 블랙홀을 중심으로 은하가 회전하니까 블랙홀이 은하의 원동력이라고 하는 표현은 일리가 있습니다. 하지만 나무의 뿌리처럼 줄기와 나뭇잎에 물과 양분을 공급해주는 역할을 한다고 볼 수는 없겠네요. 왜냐하면 블랙홀은 모든 물질을 빨아들이지만 한번 빨아들여진 물질은(심지어 빛조차도) 절대 빠져나올 수 없으니까요. 그리고 지구와 같은 행성과 태양과 같은 항성(별)의 작동원리는 전혀 다릅니다. 항성은 핵이 융합해서 엄청난 에너지를 내지만 행성은 그렇지 않습니다. 하지만 지구와 같은 행성 속에도 방사성물질과 같은 에너지원이 있어서 말씀하신대로 화산으로 폭발하기도 하고 지진으로 땅을 흔들어 대기도 하고 판구조론에서처럼 오랜 시간에 걸쳐 지각을 움직이기도 합니다.
일반상대론에서는 빛이 공간에 따라 직진하지 않고 굽어지며 순간순간 빛의 방향이 바뀌잖아요~ 그럼 크기만 따지는 빛의 '속력'은 일정하다고 말할수는있어도. 방향이 포함된 물리량인 빛의 '속도'는 일정하다고 말할 수 없는 것이죠?
먼저 그 ‘직진’이라는 개념이 모호합니다. 만일 우주 공간이 지구 표면이라고 가정해 보겠습니다. 지구 표면에서의 ‘직진’이라는 것은 무엇을 말할까요? 지구 표면에서는 애당초 우리가 수학에서 말하는 ‘직선’이라는 개념이 존재하지 않을 겁니다. 하지만 우리가 직선이라는 개념을 ‘공간에서 두 점 사이의 최단거리’로 정의한다면 구면에서의 소위 ‘대권’이 직선거리에 해당한다고 볼 수 있습니다. (이것이 비행기의 최단거리 노선에 해당합니다.) 이렇게 정의한다면 빛의 ‘속도’도 일정하다고 말할 수 있겠죠. 사실 빛의 속도가 불변이라는 특수상대성이론의 개념은 상대적으로 운동하는 계에 적용되는 개념입니다. 운동하면서 빛을 관측해도 그 속도가 변하지 않는다는 거죠.
빛의 속도는 어느 상황에서도 변하지 않나요?
그렇지 않습니다. 빛이 물질을 통과할 때 빛의 속도는 느려집니다. 빛의 굴절현상도 바로 이러한 속도 차이 때문에 생깁니다. 빛의 속도가 불변이라는 아인슈타인의 상대성이론은 운동과 연관된 개념입니다. 운동하면서 빛을 관측해도 그 속도가 변하지 않는다는 거죠. (이게 참 받아들이기 어려운 개념인 거죠.)
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