[논문]침입자 탐지용 인공 유동감지모의 응답 모델링

박병규; 이준식

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.4.355

침입자 탐지용 인공 유동감지모의 응답 모델링
Responses of Artificial Flow-Sensitive Hair for Raider Detection via Bio-Inspiration 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.4 = no.295, 2010년, pp.355 - 364

박병규 (서울대학교 정밀기계설계공동연구소) , 이준식 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
AI-Helper

주위 매질의 움직임에 반응하는 섬유상 감지모는 대부분의 생물체에 존재하여 침입자를 감지하는 역할을 한다. 이 기능을 모방한 인공 감지모의 가능한 작동영역 및 응답특성을 파악하기 위하여 인공유동센서의 수학 모델에 대한 매개변수 해석을 수행하고, 각 변수들의 영향을 고찰하였다. 진동성분을 갖는 복합 공기 유동장에서 감지모의 길이 및 직경이 기계적인 감도와 주파수 응답을 결정하는 주요 인자인 것으로 나타났다. 감지모의 길이에 따라 각속도, 각속도, 각가속도를 감지할 수 있는 주파수 영역이 달라질 수 있는 것으로 나타났다. 또한 항력 및 가상 질량에 의한 토크가 매우 작지만 감지모의 움직임에 매우 큰 영향을 나타냈다. 감지모의 길이 및 직경이 증가함에 따라 공진 주파수는 감소하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Filiform hairs that respond to movements of the surrounding medium are the mechanoreceptors commonly found in arthropods and vertebrates. In these creatures, the filiform hairs function as a sensory system for raider detection. Parametric analyses of the motion response of filiform hairs are conducted by using a mathematical model of an artificial flow sensor to understand the possible operating ranges of a microfabricated device. It is found that the length and diameter of the sensory hair are the major parameters that determine the mechanical sensitivities and responses in a mean flow with an oscillating component. By changing the hair length, the angular displacement, velocity, and acceleration could be detected in a wide range of frequencies. Although the torques due to drag and virtual mass are very small, they are also very influential factors on the hair motion. The resonance frequency of the hair decreases as the length and diameter of the hair increase.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이를 위해 경계층을 고려한 해석 모델에서 정상상태 유동 및 진동유동이 공존하는 복합유동에 의한 인공 감지모의 운동특성을 고찰한다. 또한 측정가능한 유속범위 및 센서의 특성을 파악하고 향후 실제 유동이 있는 경우 마이크로 외팔보가 동작하는 섬유상 유동 감지모의 공정설계에 반영해서 고정밀 유동감지모의 개발을 도모하고자 한다.
본 연구에서는 상대적으로 낮은 저유속에서 유동이 야기하는 섬유상 감지모의 기계적 운동 특성을 파악하고 성능이 우수한 유동감지모 센서를 설계하기 위하여 모델링을 통하여 거동을 고찰하고자 한다. 이를 위해 경계층을 고려한 해석 모델에서 정상상태 유동 및 진동유동이 공존하는 복합유동에 의한 인공 감지모의 운동특성을 고찰한다.
본 연구에서는 생물의 감각기능을 모방하고 인공 유동감지모의 제작을 위한 설계 모델링을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

유체는 비압축성, 균일 물성, 저 레이놀즈수 유동이고, 운동량 전달에서 비선형 관성효과는 무시한다. 또한 감지모에 작용하는 유체 점성력은 일방향 결합(one way coupling)으로 가정하고 감지모의 단면 형상은 일정하다고 가정한다. 자연상태에서 생물의 움직임으로 인하여 감지모 주위의 복합유동은 정상상태 유동과 비정상상태 주기 유동이 복합된 유동이라고 가정한다.
섬유상의 유동감지모의 기하학적 해석모델은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 직경 d , 길이 L , 밀도 ρh 인 원기둥으로 가정한다.
또한 감지모에 작용하는 유체 점성력은 일방향 결합(one way coupling)으로 가정하고 감지모의 단면 형상은 일정하다고 가정한다. 자연상태에서 생물의 움직임으로 인하여 감지모 주위의 복합유동은 정상상태 유동과 비정상상태 주기 유동이 복합된 유동이라고 가정한다. 섬유상의 유동감지모의 기하학적 해석모델은 Fig.
진동유동의 회전 토크에 의해 야기되는 섬유상 감지모의 각변위, 각속도, 각가속도에 대한 해석 모델⁽⁵⁾이 제시되었고, 이를 공기 중의 감지모에 적용하기 위해 다음과 같이 가정하였다. 유체는 비압축성, 균일 물성, 저 레이놀즈수 유동이고, 운동량 전달에서 비선형 관성효과는 무시한다.

제안 방법

(1) 정상상태 및 주기 유동이 공존하는 복합유동 상태에서 시간에 따른 경계층의 두께, 인공 감지모의 거동, 주파수 변화에 따른 응답특성을 예측하였다.
과도 복합유동에 의한 섬유상 유동감지모의 응답에 대해 해석하였다. 원거리장에서 복합유동이 존재할 때 전형적인 거미 다리의 직경을 기준으로 직경 2 mm인 원통 주위에 유동 경계층이 발달하고, 주유동 방향에 수직한 원통의 표면에 돌출되어 있는 섬유상 유동 감지모는 길이 1000 μm, 직경 5 μm인 원기둥으로 설정하고, 원거리장과도함수의 시정수는 0.
감지모 센서에 의한 특성변화를 공학적으로 감지하기 위한 신호변환방법으로는 크게 저항, 커패시터, 공진 회로 등을 이용할 수 있고, 이것을 신호조정회로와 결합함으로써 유용한 측정 데이터를 얻을 수 있다. 따라서 마이크로 섬유상 감지모의 매개변수 해석을 통하여 각변위, 각속도, 각가속도의 응답 특성을 고찰하였다.
원거리장에서 복합유동이 존재할 때 전형적인 거미 다리의 직경을 기준으로 직경 2 mm인 원통 주위에 유동 경계층이 발달하고, 주유동 방향에 수직한 원통의 표면에 돌출되어 있는 섬유상 유동 감지모는 길이 1000 μm, 직경 5 μm인 원기둥으로 설정하고, 원거리장과도함수의 시정수는 0.01s로 고정하였다.
본 연구에서는 상대적으로 낮은 저유속에서 유동이 야기하는 섬유상 감지모의 기계적 운동 특성을 파악하고 성능이 우수한 유동감지모 센서를 설계하기 위하여 모델링을 통하여 거동을 고찰하고자 한다. 이를 위해 경계층을 고려한 해석 모델에서 정상상태 유동 및 진동유동이 공존하는 복합유동에 의한 인공 감지모의 운동특성을 고찰한다. 또한 측정가능한 유속범위 및 센서의 특성을 파악하고 향후 실제 유동이 있는 경우 마이크로 외팔보가 동작하는 섬유상 유동 감지모의 공정설계에 반영해서 고정밀 유동감지모의 개발을 도모하고자 한다.

이론/모형

섬유상 감지모의 비틀림 복원계수 S 및 감쇠계수 R을 결정하기 위한 방법은 계산과 실험을 조합함으로써 여러 가지로 나눌 수 있지만, 여기서는 Humphrey 등⁽⁹⁾에 의한 실험 상관관계식을 이용하였다.

성능/효과

(2) 공기 중에서 감지모의 운동 및 반응 특성은 감지모의 길이 및 직경에 매우 민감하였고, 수행한 계산 기준조건에서 최대 각가속도, 각속도 및 각변위는 각각 0.06 rad, 6.0 rad/s, 4000 rad/s² 으로 나타났다.
일반적으로 침입자나 먹이감이 일으키는 공기 중의 교란은 감지모에 도달할 때 대부분의 에너지가 낮은 주파수에 집중되는 것으로 알려져 있다.⁽³⁾ 이러한 자극 스펙트럼의 특성 및 공기 중에 있는 감지모의 운동특성은 넓은 주파수 범위에서 감지모의 큰 변위를 초래한다. 이러한 주파수 판별은 감지모의 길이를 다르게 함으로써 서로 다른 주파수 범위에서 변위, 속도, 가속도 감지 기능을 할 수 있도록 한다.
(3) 주어진 유동 중에 있는 감지모의 운동특성은 감지모의 길이, 직경을 다르게 함으로써 서로 다른 주파수 범위에서 변위, 속도, 가속도의 감지가 가능하다.
(4) 진동유동 성분이 없거나 진동 주파수가 낮을수록 각변위를 측정하는 것이 유리하고 진동주파수가 높을수록 각속도 및 각가속도의 측정이 상대적인 측정오차를 줄일 수 있다.
길이가 짧을수록 포화되는 주파수가 크게 증가하지만 상대적인 각속도의 크기는 낮아지는 경향을 나타낸다. 각가속도는 주파수가 증가함에 따라 급격히 증가하는 특성을 나타내며, 고주파수에서는 시간증분에 민감한 것으로 나타났다. Fig.
계산 조건에서 길이가 1000 μm 인 유동감지모의 최대 각도, 최대 각속도, 최대 각가속도는 평형상태에 도달한 정상 주기상태에서 각각 0.06 rad, 6.0 rad/s, 4000 rad/s2으로 나타났다.
여기서 최대 각가속도, 최대 각속도, 최대 각변위의 크기를 비교해보면, 각가속도의 절대적인 값은 대략 각변위의 10⁴ - 10⁵ 배, 각속도의 10² - 10³ 배 차이가 남을 알 수 있다. 따라서 응답 특성을 파악하기 위한 물리량의 측정시 값이 큰 각가속도, 각속도, 각변위의 순으로 유리하고 상대오차를 줄일 수 있으며, 최대 각변위는 감지모의 길이에 따른 영향은 크지만 측정 주파수의 영향이 상대적으로 적음을 알 수 있다. 따라서 실제 측정방법의 선정 시에는 측정 범위 및 오차, 측정 용이성, 시스템의 크기 및 제작성 등을 종합적으로 검토하여 결정해야 함을 알 수 있다.
5에 나타냈다. 진동유동의 주파수가 증가함에 따라 최대 각변위는 급격히 증가한 다음 100Hz 부근에서 포화됨을 알 수 있고, 감지모 길이에 비례해서 최대 각변위가 증가함을 알 수 있다. 최대 각속도는 길이가 길수록 빨리 포화되는 경향을 나타내며, 길이 1000 μm 인 유동감지모의 최대 각속도는 약 200 Hz 부근에서 7.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유상 감지모는 어떤 역할을 하는가?	주위 매질의 움직임에 반응하는 섬유상 감지모는 대부분의 생물체에 존재하여 침입자를 감지하는 역할을 한다. 이 기능을 모방한 인공 감지모의 가능한 작동영역 및 응답특성을 파악하기 위하여 인공유동센서의 수학 모델에 대한 매개변수 해석을 수행하고, 각 변수들의 영향을 고찰하였다.
	사람의 귀, 동물의 귀 그리고 히드라나 해파리 같은 해저생물들의 청각기관은 어떤 공통점이 있는가?	사람 귓속에는 소리를 듣고 균형과 방향감각을 담당하는 청각기관이 있고, 동물 귀, 물고기 옆줄도 사람 귀와 비슷한 기능을 하고, 히드라나 해파리 같은 해저생물에도 청각기관이 있다. 이들의 공통적인 특징은 지름이 수백 nm에서 수십 μm이고, 길이가 수백 μm 정도의 기다란 막대형태의 구조이다. 물고기는 측선 내부의 감지모를 이용하여 주위물의 유동을 감지하고, 거미는 다리에 있는 감지모를 이용한다.
	헤어셀의 감지 원리는 무엇인가?	섬유상 감지모인 헤어셀의 감지원리는 주위 환경으로부터 오는 음파의 진동이나 미세한 유동변화가 감각기관(감지센서)의 진동 주파수, 변위로 변환되어 신경세포로 전달되는 것으로 알려져 있다. 거미와 같은 절지동물의 섬유상 감각모(hair sensilla)는 Fig.

참고문헌 (22)

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