독일 예나 대학교, 3D 미니어처 힘 측정 플랫폼으로 개미 운동력 측정

무거운 하중을 운반하는 능력 면에서 개미는 진정한 거인입니다. 실험실 시험에서 붉은 숲 개미(formica polyctena)는 자기 몸무게의 약 40배나 되는 짐을 운반합니다. 하지만 이처럼 초능력을 가진 초경량 곤충이 발생시키는 지상 반동력을 측정하는 것은 매우 어려운 일입니다. 운동 중인 개미가 내는 힘은 기존의 방법으로는 계측이 불가능합니다. 곤충 운동력에 대한 이해를 통해 안전한 하중취급 분야의 향후 어플리케이션에 귀중한 접근방법을 제시할 수 있을 것입니다. 이런 이유로, 독일 예나(Jena) 대학교 의 Lars Reinhardt 박사와 Reinhard Blickhan 교수가 해법 모색에 나섰습니다. 이 팀은 견고한 3D 미니어처 힘 측정 플랫폼을 개발하여 운동에 관여하는 세 방향 모두 마이크로뉴턴(micronewton) 단위의 힘까지 신뢰도 있게 측정할 수 있었습니다. HBM은 MGCplus 앰프 시스템과 catman Easy 시험 및 계측 소프트웨어를 제공함으로써 이 연구에 크게 기여했습니다.

곤충 운동력 분야의 연구는 역학, 감각 생리학, 운동기술 평가를 위한 중요한 기초자료를 제공합니다.  이러한 조사결과를 바탕으로 생체공학, 로봇공학과 같은 실생활 어플리케이션에 적용이 가능합니다. 6족 개미의 안정적 보행을 모방한 뛰어난 전지형 특성의 수송 및 운반장치도 그러한 예에 해당됩니다. 하지만 대자연을 성공적으로 모방하려면 기초연구에서 도출된 신뢰도 있는 연구결과가 요구됩니다.

프리드리히 실러 예나 대학교의 과학자들은 그러한 목적을 향해 큰 걸음을 내디뎠습니다. Lars Reinhardt 박사와 Reinhard Blickhan 교수는 극미세 힘 계측용 3D 미니어처 힘 측정 플랫폼을 개발했습니다. 이 플랫폼은 운동에 관여하는 세 방향에서 개미 운동력을 신뢰도 있게 측정할 수 있으며 그 이후의 분석도 가능합니다. Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) 연구기금에 의한 프로젝트의 일환으로 최초로 개발된 이 플랫폼은, 개미 다리에서 생성되는 극미세 단위의 운동역학을 이해할 수 있는 기회를 제공해 줍니다.

기존의 측정 플랫폼은 계측의 적합성이 제한적

지상 반동력 계측을 위한 미니어처 힘 측정 플랫폼은 나온 지가 수십 년이 됩니다. 하지만 두 개 차원밖에 측정값을 얻지 못했습니다. 아니면 충분한 견고성이 미비되어 신뢰도 있는 결과 제공을 위한 측정 사이클 회수를 견뎌내지 못했습니다. 다른 한편으로, 견고성을 강화한 3D 플랫폼 버전은 그 설계 및 사용 자재로 인하여 마이크로뉴턴(micronewton) 단위의 극미세 힘을 측정하는 데는 적합하지 않았습니다. 3D 플랫폼은 몸무게 23,2mg의 숲 개미가 발생시키는 지상 반동력 및 개미 운동력의 역학을 측정할 수 없었습니다.

개미 운동력 측정: 독일 예나 대학교에서 사용한 3D 미니어처 힘 측정 플랫폼

프리드리히 실러 예나 대학교 운동과학과(motion sciences department) 학과장인 Reinhard Blickhan 교수와 그 동료인 Lars Reinhardt 박사는 움직이는 개미의 각 다리에서 발생하는 지상 반동력을 세 방향 모두 신뢰도 있게 측정할 수 있는 새로운 측정 플랫폼을 개발했습니다. 예나 대학교의 과학자들이 개발한 이 새로운 3D 플랫폼은 강건설계, 폭넓은 측정범위(4 mN 단위까지), 계측 채널간의 누화 감소와 같은 뛰어난 성능을 갖춘 개발품입니다. 이는 광범위한 시운전을 거치면서 입증되었습니다.

Reinhardt와 Blickhan 팀은 새 측정 플랫폼의 신뢰도와 내구성을 6개월에 걸쳐 시험했습니다. 3D 미니어처 힘 측정 플랫폼은 숲 개미(Formica polyctena)가 한쪽 다리로 발생시킨 3.000회의 하중(부하인가)을 간단히 견뎌냈습니다. 플랫폼은 어떠한 재료결함이나 측정불확도를 나타내지 않았습니다. 또 다른 장점으로는 설계상 생산비용이 적게 들고 개미 실험 이외에도 매우 폭넓은 어플리케이션에 적용할 수 있다는 점입니다. 

교정, 측정 및 분석에 HBM이 주도적인 역할 수행

예나 대학교의 운동과학자들이 개발한 측정 플랫폼은 초정밀 광 조형기술(stereolithography technology)을 이용한 것입니다. 폴리카보네이트(PC)와 유사한 재질로 만든 이 시제품은 경량, 고탄성, 충분한 수준의 감쇠를 갖도록 하였으며, 통상적인 반도체 스트레인 게이지가 탑재되었습니다. HBM은 측정, 데이터 수집, 시각화 및 분석을 위해 MGCplus digital amplifier system 과 catman Easy test and measurement software 를 제공했습니다.

HBM의 검증된 MGCplus 앰프 시스템은 실험실 및 테스트벤치용으로 특별히 설계되었습니다. MGCplus 앰프 시스템은 모듈식 설계로 인해 신규 업무에 맞게 개조가 가능하며, 사실상 모든 분야에서 사용할 수 있습니다. 고해상도, 장기 안정성 및 간섭 내성이 가장 중요한 계측에 있어서, 힘, 중량, 변위, 압력, 온도, 토크, 가속도, 스트레인, 기계적 스트레스 또는 전압, 전류, 주파수 및 저항의 정적 계측과 동적 계측이 모두 가능합니다.

HBM의 catman Easy 측정 소프트웨어는 예를 들어MGCplus 앰프 시스템과 같은 하드웨어와 결합할 경우, 측정 프로젝트에 이상적인 도구가 됩니다. 따라서 데이터 수집, 가시화 및 측정 데이터 분석 분야에서 우선적으로 선택 받는 제품입니다. 또한 직관적인 사용방법, 다양한 맞춤형 선택사양과 더불어 HBM amplifiers 의 완벽한 지원도 CATMAN이 가장 먼저 선택되는 이유입니다.

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