오늘날에 사용되는 대부분의 로봇 부품은 단단하고, 제한된 운동 범위를 가지며, 진실로 실물처럼 보이지 않는다. 그런데 미국 플로리다 애틀랜틱 대(Florida Atlantic University)의 해양기계공학과(Department of Ocean and Mechanical Engineering) 조교수인 에릭 엔제버그(Erik Engeberg)는 자연과 생물학에서 영감을 받아 실제 손가락과 같은 형상을 가지고 실제처럼 느낄 수 있는 새로운 로봇 손가락을 설계하였다. 

에릭 엔제버그 조교수는 최근에 이러한 연구 결과를 생체 모방 기술과 관련된 국제 학술지(학술지명: Bioinspiration & Biomimetics)에 발표하였다. 발표된 논문에서 형상 기억 합금(SMA: shape memory alloy), 인간 손가락에 대한 3차원 컴퓨터 이용 설계(CAD: computer-aided design) 모델, 3차원 인쇄기, 독특한 열적 훈련(thermal training) 기법 등을 이용하여 이 로봇 손가락을 개발하고 시험하였다. 

“우리는 구부리고 펴는 굴신 동작과 같이 인간의 손가락 운동을 모사하도록 로봇 손가락을 열기계적으로 훈련시킬 수 있었다. 이 로봇 손가락은 가볍고, 능란하고, 높은 강도를 가지기 때문에 전통적인 로봇 손가락 장치에 비하여 엄청난 장점을 제공한다. 궁극적으로 이러한 로봇 손가락 설계는 의수와 같은 보철 장치로 사용되도록 변형될 수 있을 것”이라고 에릭 엔제버그 조교수가 말했다. 

에릭 엔제버그 조교수 연구팀은 이번 연구에서 열을 방출하는 도체를 통하여 전류가 흐르는 것을 포함하는 ‘줄 발열(Joule heating)’이라 불리는 저항 가열 공정을 이용하였다. 연구자들은 웹사이트에서 내려 받을 수 있는 인간 손가락에 대한 3차원 컴퓨터 이용 설계(CAD) 모델을 이용하여 로봇 손가락에 대한 솔리드 모델(solid model: 3차원 컴퓨터 그래픽에서 부피를 가진 3차원 구조물을 만들 목적의 모델)을 만들 수 있었다. 

다음으로 연구자들은 3차원 인쇄기로 구부리기용 구동기, 펴기용 구동기 및 위치 센서를 수용하는 내부 금형 및 외부 금형을 만들었다. 펴기용 구동기는 가열되었을 때 직선 형상을 취하며, 구부리기용 구동기는 가열되었을 때 곡선 형상을 취한다. 연구자들은 로봇 손가락을 조립하기 위하여 형상 기억 합금(SMA)으로 된 판과 다단계 주조법(casting process)을 이용하였다. 

전기 새시(electrical chassis)가 각각의 형상 기억 합금(SMA) 구동기를 통하여 전류가 흐르도록 U자 형상으로 설계되었다. 이러한 U자 형상 설계는 형상 기억 합금(SMA)을 흐르는 전류가 로봇 손가락의 기저에 위치한 전력원으로 가도록 안내한다. 

이 새로운 기술은 로봇 손가락을 동작시키기 위하여 가열 및 냉각 공정 모두를 사용하였다. 구동기가 냉각되면서 형상 기억 합금(SMA)은 긴장이 약간 풀린다. 이 연구 결과에 따르면 개발된 로봇 손가락은 좀 더 빠른 신축 동작을 수행하고, 좀 더 정확하고 완전하게 훈련된 형상으로 회복하는 능력을 보여 주었으며, 이를 통하여 훈련된 형상의 생체 역학적 토대를 확인하였다. 

“형상 기억 합금(SMA)은 가열 공정과 냉각 공정을 요구하기 때문에, 이를 냉각하고 다시 원래의 형상으로 돌아오기 위하여 심지어 강제 공기 유동을 사용하고도 상당한 시간이 필요하다는 난관을 가지고 있다. 이러한 난관을 극복하기 위하여 우리는 이 기술을 수중 로봇 공학에 적용하는 아이디어를 탐색하였다. 왜냐하면 수중은 자연스럽게 급속한 냉각 환경을 제공하기 때문”이라고 에릭 엔제버그 조교수가 말했다. 

로봇 손가락의 초기 응용 분야는 해저 작업에 사용될 것이므로 에릭 엔제버그 조교수는 로봇 손가락의 끝에 단열 처리용 자재를 사용하였다. 이 단열 처리용 자재는 로봇 손가락의 내부에서 물의 유동이 가능하도록 개방된 상태로 유지된다. 로봇 손가락이 굽혀지고 펴지면서 각각 단열 처리용 자재 내부에 있는 내부 구멍으로 물이 흘러 구동기를 냉각시킨다. 

“우리가 개발한 로봇 손가락은 다른 유사한 기술보다 더 양호하게 열기계적으로 훈련된 형상으로 지속적으로 회복하였다. 이러한 우리의 수중 실험은 물 냉각 요소가 로봇 손가락의 동작 속도를 크게 증가시켰음을 분명하게 증명하였다”고 에릭 엔제버그 조교수가 말했다. 

에릭 엔제버그 조교수의 신기술을 이용하는 수중 응용분야는 대양심도(ocean depth: 태평양은 10, 400m 이상, 대서양은 8,000m 이상, 인도양은 7,000m 이상)에서 작업하는 경우 인간이 직면하는 난관과 도전과제의 일부를 해결하는 데에 도움이 될 수 있다. 
 

플로리다 애틀랜틱 대(FAU)에 위치한 에릭 엔제버그 조교수의 바이오 로봇 공학 연구실(BioRobotics Laboratory)은 로봇 공학, 보철 장치, 제어기 설계, 생체 모방, 생체 영감 등에 중점을 두고 연구하고 있다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』