에너지를 활용해 움직이는 풍선형 연성 액추에이터 (사진. Harvard University)
갑작스러운 구조적 안정성 손실인 버클링, 기계적 좌굴은 모든 구조 시스템에서 치명적인 고장을 유발한다. 그러나 장난감 포퍼에서의 버클링은 불안정성에 의해 에너지를 방출, 장난감이 공기에서 비행하도록 한다. 이에 하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학 학교(SEAS)와 하버드의 Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering 연구원은 에너지를 활용해 빠르게 움직이는 풍선형 연성 액추에이터를 만들기 위해 버클링을 활용했다.
연구원은 “소프트 로봇은 최소 침습 수술 도구와 외골격에서 창고 그리퍼, 비디오 게임 애드온에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 엄청난 잠재력을 가지고 있다”라며, “그러나 오늘날의 소프트 액추에이터의 응용 분야는 속도가 제한돼있는 상황”이라고 언급했다.
유체 연성 액추에이터는 작동하기 위해 많은 양의 유체가 필요하고 가스 또는 액체에 관계없이 장치의 튜브 및 밸브에 의해 흐름이 제한되기 때문에, 전원을 켜고 이동하는 속도가 느리다.
이에 연구 관계자는 “이번 연구에서 우리는 탄성 불안정성을 이용해 제한을 극복, 출력에서 느린 입력을 분리하고 빠르게 점프하는 유체 연성 액추에이터를 만들 수 있음을 보여줬다”고 밝혔다.
연구원들은 쉘 버클링이라고 알려진 장난감 포퍼를 추진하는 것과 동일한 유형의 버클링에 의존했다. 이 팀은 러시아 중첩 인형처럼 서로 중첩돼 바닥에 연결된 2개의 구형 캡(기본적으로 2개의 포퍼)으로 액추에이터를 설계했다. 이는 팽창 시 두 캡 사이에 압력이 쌓이는 한편, 더 두꺼운 외부 캡이 늘어나고 더 두꺼운 내부 캡이 구부러지면서 공중으로 퍼지게 된다.
장치는 단순해 보이지만 기본 물리를 이해하는 것이 로봇의 성능을 제어하고 최적화하는 데에서 가장 중요하다. 쉘 버클링에 대한 대부분의 이전 연구는 그것을 피하는 방법을 연구했지만, 이번 연구진들은 불안정성을 증가시키기를 원했다.
이들은 기존의 이론과 최신 수치 시뮬레이션 도구를 사용해 두 쉘 사이의 압력 부피 관계를 특성화하고 조정, 특정 양의 에너지를 반복해서 빠르게 방출 할 수 있는 소프트 로봇을 개발해냈다. 해당 방법은 모든 모양과 크기에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 소형 의료 기기부터 정맥에 구멍을 뚫기 위해, 대형 탐색 로봇에서 고르지 않은 지형을 가로지르는 데에도 사용할 수 있다.
