오랫동안 미국의 매사추세츠 공대(MIT)와 하버드 대(Harvard University)의 연구팀이 스스로 접어서 임의의 형상으로 변화시킬 수 있는 재구성 가능한 로봇인 종이접기 로봇(origami robot)을 개발하고 있다.
저명한 국제 학술지인 사이언스(Science)의 2014년 8월 7일자 판에서 연구자들은 최근에 이룩한 중요한 단계를 보고하였다. 즉, 대부분이 레이저 절단기로 만들어진 부품으로 이루어진 로봇에 배터리를 부착하자마자 이 로봇은 스스로 접혀져서 기어 다녔다.
"여기서 흥미진진한 것은 평평하게 인쇄된 것에 연산 능력을 내장할 수 있는 장치를 만들었다는 것이다. 그리고 이 장치는 사려 깊은 방식으로 바닥에서 들어올려져서 제3의 치수를 형성하였다"고 제출된 논문의 공동 저자이자 매사추세츠 공대의 전기공학 및 컴퓨터 과학과 교수인 다니엘라 러스(Daniela Rus)가 말했다.
이 논문의 저자에는 다니엘라 러스 교수, 매사추세츠 공대의 컴퓨터 과학 및 공학과 교수인 에릭 드마인(Erik Demaine), 하버드 대의 공학 및 응용 과학부 소속 연구자인 샘 펠톤(Sam Felton), 마이클 톨레이(Michael Tolley), 로브 우드(Rob Wood) 등이 포함된다.
올해(2014년) 봄에 열린 로봇 및 자동화 관련 한 국제학술회의(명칭: IEEE International Conference on Robotics and Automation this spring)에서 다니엘라 러스 교수, 에릭 드마인 교수, 로브 우드, 기타 매사추세츠 공대 및 하버드 대 소속의 5명 연구자들은 구를 수 있는 로봇(bakable robot)에 관한 논문을 발표하였다. 이 로봇은 레이저로 절단된 재료로부터 균일하게 가열되었을 때 자체 조립한다.
이번의 새로운 연구는 유사하지만, 오븐이나 열판(hot plate) 대신에 전기 리드(electrical lead)의 네트워크가 열을 전달하여 로봇의 관절이 접히도록 한다. "이것은 기하학적 관점에서 매우 흥미롭다. 왜냐하면 이것은 우리에게 더 많은 것을 접을 수 있게 만들기 때문이다. 그리고 우리는 순서에 따라 수행할 수 있어서 더 많은 제어 능력을 가질 수 있다. 더불어 능동적으로 접는 구조를 만들 수 있다. 단지 자체 조립하는 것뿐만 아니라 걷게 만들 수도 있다"고 에릭 드마인 교수가 말했다.
이 로봇은 여러 재료들로 된 5개의 층으로 만들어졌다. 재료들은 모두 레이저 절단기를 이용하여 디지털 규격에 따라 절단되었다. 중간에 위치한 층은 구리(copper)이며, 복잡한 전기 리드의 네트워크가 되도록 식각(etching)되었다. 이 구리 층은 종이로 된 2개의 구조적 층 사이에 끼워졌으며, 외곽 층은 가열되었을 때 접혀지는 형상 기억 폴리머(shape-memory polymer)로 이루어진다.
레이저로 절단된 재료가 서로 층층이 놓인 후, 마이크로프로세서와 하나 이상의 소형 모터가 표면 상부에 부착된다. 시작품에서 이러한 부착은 수작업으로 이루어졌지만, 대신에 이러한 작업은 픽앤플레이스(pick and place) 로봇 시스템에 의하여 수행될 수 있다. "기계적 설계에는 하나의 모터로 구동될 수 있는 다리 시스템을 형성하는 마법의 소스(sauce)가 존재한다"고 다니엘라 러스 교수가 말했다.
사실 연구자들은 하나의 모터와 4개의 모터로 이루어진 설계로 실험하였으며, 사이언스 학술지에 발표된 논문에서는 2개의 모터를 사용하는 설계를 보고하였다. 각각의 모터는 로봇의 다리 2개를 제어한다. 모터는 마이크로프로세서에 의하여 동기화된다. 결과적으로 각각의 다리는 8개의 기계적 연결 장치(linkage)를 가지며, 연결 장치의 동역학은 모터에 의한 힘을 움직임으로 전환한다.
"이것은 1자유도 구조라고 불리며, 단지 하나의 크랭크만 돌리면 당신이 원하는 방식으로 전체가 움직인다. 즉, 구조의 메커니즘을 통하여 단지 1자유도의 움직임이 전체의 복잡한 운동으로 전환된다"고 에릭 드마인 교수가 설명하였다.
이전의 연구에서 다니엘라 러스 교수, 에릭 드마인 교수, 로브 우드는 디지털로 규정된 임의의 3차원 형상을 종이접기의 패턴으로 자동으로 변환할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 이 새로운 로봇의 설계는 동작 생성의 가능성뿐만 아니라 임의의 형상을 생성하는데 필요한 2번의 접기를 수행하기 위한 능력을 시연하기 위한 의도였다.
"당신은 양쪽 방향으로 이상적으로는 180도까지 한 번의 접기를 수행할 필요가 있다. 다음 단계의 도전과제는 순환 접기(cyclic fold)를 수행하는 것이다. 즉, 주기적으로 순환하여 서로 연결된 한 묶음의 판이 있고, 이들을 동시에 접는 것이다. 이것이 시스템의 한 구성요소로 시연되었다"고 에릭 드마인 교수가 말했다.
시작품 시스템이 수행할 수 있는 가장 예리한 접기는 180도가 아니라 150도이다. 그러나 종이접기에서 180도 접기는 일반적으로 판을 서로 결합할 때 사용된다고 에릭 드마인 교수가 설명하였다. 150도의 접기를 사용하여 판들은 완전히 접촉하지 않겠지만 많은 응용분야에서 웬만큼은 작동할 것이다.
그동안 에릭 드마인 교수는 150도보다 더 예리하지 않은 접기를 이용하여 임의의 3차원 형상을 만드는 것이 여전히 가능한지를 결정하기 위하여 연구자들이 고안한 원래의 접기 알고리즘에서 기초가 되었던 이론적 분석을 다시 살펴볼 계획이다.
"이론과 실제 장치 사이에는 항상 해야 할 일이 있기 때문에 매우 흥미진진하다. 나는 로봇을 만들고 이론을 사랑한다. 에릭 드마인 교수는 이론을 증명하고 메커니즘을 사랑한다. 이러한 연구가 성공적이려면 당신은 무엇이 중요한지에 대하여 같은 생각을 가진 사람이 필요하다"고 다니엘라 러스 교수가 말했다.
* 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
