미국 하버드 대(Harvard University)와 미국 캘리포니아 대 샌디에이고 캠퍼스(University of California, San Diego)의 공학자들이 3차원 인쇄술을 이용하여 딱딱한 중심부에서 시작하여 부드러운 외각으로 바뀌는 몸통을 가지는 로봇을 최초로 만들었다. 이 로봇은 줄이 매여 있지 않은 채로 30번 이상의 점프를 수행할 수 있고, 부탄과 산소의 혼합물에 의하여 동력이 공급된다. 연구자들은 이 로봇의 설계, 제조법, 시험결과 등을 2015년 7월 10일에 미국의 권위 있는 전문 과학 잡지인 사이언스(Science)에 발표하였다.
"우리는 부드러운 재료와 단단한 재료를 함께 결합하는 것이 이전의 로봇보다 더 강인하고 더 높은 적응력을 가지며, 인간과 옆에서 안전하게 협업할 수 있는 새로운 세대의 빠르고 민첩한 로봇을 만들도록 도울 것이라고 믿고 있다"고 캘리포니아 대 샌디에이고 캠퍼스의 기계공학과 조교수이자, 발표된 논문의 공동 주 저자인 마이클 톨레이(Michael Tolley)가 말했다. 다른 공동 주 저자는 미국 하버드 대의 위스 연구소(Wyss Institute)에서 박사과정에 있는 니콜라스 바틀렛(Nicholas Bartlett)이며, 마이클 톨레이 조교수와 니콜라스 바틀렛은 이 로봇에 대하여 설계, 제조 및 시험을 수행하였다.
부드럽고 딱딱한 재료를 혼합하여 로봇의 몸통을 만드는 아이디어는 자연에서 영감을 얻었다고 마이클 톨레이 조교수가 전했다. 예를 들어, 특정한 종의 혼합은 부드러운 것에서 시작하여 바위와 접촉하는 부분이 딱딱하게 되는 속살을 가졌다. “자연에서 복잡성은 매우 저렴하다. 우리는 3차원 인쇄술과 같은 새로운 제조 기법을 이용하여 자연에서 볼 수 있는 것을 로봇 분야로 전환하고 있다”고 마이클 톨레이 조교수가 말했다.
유연 로봇(soft robot)은 특히 동력원이나 다른 전자장치에 줄로 연결되지 않으면서 작업을 수행할 때 속도가 느린 경향이 있다고 마이클 톨레이 조교수가 말했다. 마이클 톨레이 조교수는 최근에 영국의 권위 있는 순수 과학 잡지인 네이처(Nature)에 유연 로봇공학에 대한 연구 동향 논문을 공동 저자 가운데 하나로 발표하였다(Daniela Rus & Michael T. Tolley, "Design, fabrication and control of soft robots," Nature, Vol. 521, pp. 467?475, 28 May 2015, doi:10.1038/nature14543).
연구자들은 자신들의 연구가 유연 로봇 내에서 딱딱한 요소가 더 잘 결합되도록 하는 데에 도움이 되기를 희망하고 있다. 딱딱한 요소가 결합된 유연 로봇은 인간과 함께 협업할 때 안전성에 대한 타협 없이 더 빠르게 움직이도록 만들 것이다.
사이언스에서 기술된 로봇의 경우 딱딱한 층들은 이 장치가 전자 뇌 및 동력원과 더 나은 인터페이스를 형성하도록 한다. 유연 층들은 점프 후에 착륙할 때 손상에 덜 취약하도록 만든다.
로봇은 2개의 반구로 이루어진다. 상부 반구는 조개껍데기의 반쪽 형상으로 3차원 인쇄술을 이용하여 하나의 조각으로 제작되었고, 9개의 서로 다른 강성을 가진 층들을 가지고 있어 외부는 고무와 같은 유연성을 가지고 중심부는 완전히 딱딱한 것에 가까운 구조를 형성한다.
연구자들은 여러 종류의 설계를 시도하였고, 상부가 완전히 딱딱할 때 더 높은 점프를 수행하기에 유리하다는 결론을 얻었다. 그러나 더 유연한 상부는 착륙할 때 충격에 견딜 수 있게 만들기 때문에 로봇을 재활용할 수 있었다. 연구자들은 좀 더 유연한 설계를 선택하였다.
이러한 과정에서 도전적인 부분은 이 로봇을 3차원 인쇄술로 제작하기 위하여 규격품으로 바로 구매할 수 있는 재료로 설계하는 것이었다고 마이클 톨레이 조교수가 말했다. 재료 제조업자들이 제공한 재료의 규격은 충분히 상세하지 않아서 연구자들은 자신들이 사용하는 모든 재료에 대하여 시험을 실시하였다.
연구자들이 수집한 데이터는 로봇의 상부 반구에서 9개의 서로 다른 층들에 대하여 정확한 강성을 계산하도록 만들었다. 연구자들은 이 정보를 이용하여 로봇의 성능을 시뮬레이션하고 설계하는 과정을 가속화할 수 있었다.
로봇의 하부 반구는 유연하며, 점프를 수행하기 전에 산소와 부탄이 주입되는 소형 공간이 포함된다. 주입된 가스가 점화된 후에 이 하부 반구는 거의 즉각적으로 팽창된 농구공처럼 거동하여 로봇이 점프하도록 추진한다. 충전된 가스가 소진되면 하부 반구는 원래의 형상으로 복귀한다.
2개의 반구는 통상의 회로 기판, 고전압 동력원, 배터리, 소형 공기 압축기, 부탄 연료 전지, 기타 요소 등을 수용하는 딱딱한 중심부 모듈을 둘러싼다. 일련의 실험에서 로봇은 높이 2.5피트(0.75 미터), 측면으로 0.5피트(0.15 미터) 정도의 점프를 수행하였다. 실험에서 로봇은 100번 이상 점프를 하였으며, 추가적으로 약 4피트(1.22 미터) 높이에서 35번 떨어뜨렸으나 이상이 없었다.
마이클 톨레이 조교수는 사이언스에 발표된 논문에서 기술된 대부분의 연구를 수행하였을 때 하버드 대에서 박사 후 연구원으로 재직 중이었으며, 2014년 가을에 캘리포니아 대 샌디에이고 캠퍼스에 임용되었다. 마이클 톨레이 조교수의 연구실은 캘리포니아 대 샌디에이고 캠퍼스의 공학부(Jacobs School of Engineering) 소속으로, 유연한 재료로 이루어진 로봇, 접어서 만드는 로봇, 자체 조립하는 로봇 등을 설계하기 위하여 자연에서 아이디어를 차용한다. 마이클 톨레이 조교수는 향후 몇 년 동안 생물학에서 영감을 받는 로봇 공학 분야를 탐색하고 확장할 계획이다.
[관련 논문의 서지 정보]
Nicholas W. Bartlett, Michael T. Tolley, Johannes T. B. Overvelde, James C. Weaver, Bobak Mosadegh, Katia Bertoldi, George M. Whitesides, Robert J. Wood. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science, 2015 DOI: 10.1126/science.aab0129
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
