최근 몇 년 동안 재료 과학의 발전으로 인해 소프트 로봇과 관련된 연구 결과가 최근 몇 년 동안 주목할 만합니다. 기존의 딱딱한 로봇과 비교할 때 소프트 로봇의 디자인은 벌레, 문어, 도마뱀, 개구리와 같은 자연의 생물학적 시스템에서 영감을 받았습니다. 잠깐만요. 이러한 생물은 복잡한 환경에서 놀라운 이동을 보여주기 위해 부드럽고 신축성 있는 재료를 사용합니다. 그러나 실제 응용 분야에서 소프트 로봇은 외부 전원이나 구동력에 의존하고 물리적 테더를 통해 연결되어 활동 범위가 제한됩니다. 또한 공압 네트워크 액추에이터(pneu-nets)와 같은 기존 소프트 액추에이터의 무게도 소프트 로봇의 무제한 작동을 제한하는 주요 요인이 되었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 싱가포르 기술디자인대학(SUTD)의 미치나오 하시모토 교수 팀과 협력자들이 개발한 FiBa(필름 풍선) 소프트 액추에이터는 소프트 로봇 분야에 새로운 혁신을 가져왔습니다.

해당 연구 결과는 2024년 7월 17일 저널 '사이언스 로보틱스'에 "FiBa 소프트 로봇의 기어가기, 오르기, 앉기, 비행"이라는 제목으로 게재됐습니다.

FiBa 소프트 액츄에이터는 측면 곡률을 가진 Dragon Skin 30 실리콘과 폴리머 필름으로 설계되었습니다.

FiBa 소프트 액추에이터는 3D로 인쇄된 공압 풍선과 측면 곡률이 있는 폴리머 필름을 결합한 독특한 구조적 디자인을 채택합니다. 이 디자인의 장점은 다기능적 특성을 유지하면서 액추에이터의 무게를 효과적으로 줄일 수 있어 제약 없는 작동을 달성할 수 있다는 것입니다.

FiBa 액추에이터는 기존의 실리콘 고무 소재와 비교했을 때 더 높은 탄성 계수(약 593kPa)를 가진 Dragon Skin 30 실리콘을 사용하여 무게를 너무 많이 추가하지 않고도 더 강력한 구동 기능을 제공할 수 있습니다. 높은 탄성 계수는 ​​동일한 부피에서 Dragon Skin 30 실리콘이 더 큰 내부 압력을 생성하여 액추에이터의 굽힘 및 구동 효과를 향상시킬 수 있음을 의미합니다.

FiBa 액추에이터의 또 다른 핵심 구성 요소는 측면 곡률이 있는 폴리머 필름입니다. 이 필름 소재는 가벼울 뿐만 아니라 유연성과 가소성도 뛰어납니다. 측면 곡률 설계를 도입함으로써 필름의 국부적 강성이 향상되어 팽창 시 방향성 굽힘이 가능하고 수축 후 빠르게 원래 모양으로 돌아갑니다. 연구원들은 측면 곡률을 설계함으로써 폴리머 필름의 굽힘 특성이 크게 개선되어 액추에이터의 전반적인 성능과 신뢰성이 향상되었다고 말했습니다.

기존의 평평한 필름 소재는 외부 힘을 받을 때 불규칙하게 뒤틀리고 구부러지는 경향이 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 측면 곡률 설계를 도입함으로써 필름의 굽힘 특성이 방향적으로 향상되었습니다. 풍선이 팽창하면 필름이 사전 설정된 곡률 방향을 따라 구부러져 안정적인 구동력을 생성합니다. 이 방향 굽힘 특성은 액추에이터의 제어 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라 서비스 수명을 연장합니다.

측면 곡률 설계는 또한 액추에이터의 구조적 신뢰성과 내구성을 개선하는 데 도움이 됩니다. 수축 과정에서 필름은 원래 모양으로 빠르게 돌아갈 수 있어 장기 변형으로 인한 성능 저하와 구조적 손상을 피할 수 있습니다. 또한 곡률 매개변수와 필름 두께를 최적화하여 액추에이터의 굽힘 각도와 구동력을 더욱 조정하여 다양한 응용 시나리오의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

설계 측면에서 FiBa 액추에이터는 FiBa 굽힘 모듈과 FiBa 가변 강성 빔 모듈을 포함한 모듈식 설계 방식을 채택합니다. 모듈식 설계를 통해 연구자는 액추에이터를 신속하게 프로토타입화하고 반복적 최적화를 수행할 수 있습니다. 다양한 모듈을 결합하여 다양한 모양과 기능의 액추에이터를 만들어 다양한 애플리케이션 시나리오의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이러한 신속한 프로토타입 기능은 제품 개발 주기를 가속화할 뿐만 아니라 비용 위험도 줄입니다.

FiBa 액추에이터의 모듈식 구조도 매우 사용자 정의가 가능합니다. 모듈의 수, 배열 및 크기 매개변수를 조정함으로써 연구자는 액추에이터를 사용자 정의하여 다양한 환경과 작업에 적응할 수 있습니다. 예를 들어, 등반 로봇에서 로봇의 등반 능력과 안정성은 그래핑 모듈과 벤딩 모듈의 수와 레이아웃을 늘려 개선할 수 있습니다.

제한 없는 작동을 달성하기 위해 FiBa 액추에이터는 공압 펌프, 밸브, 배터리 및 제어 보드와 같은 전자 부품도 통합합니다. 연구자들은 전자 부품을 선택할 때 가벼움과 높은 효율성에 중점을 둡니다. 예를 들어, 마이크로 공압 펌프와 밸브를 사용하면 시스템의 전체 무게를 줄일 수 있으며 고성능 배터리와 제어 보드를 사용하면 시스템의 에너지 효율성과 안정성을 개선할 수 있습니다. 가벼운 전자 부품 덕분에 FiBa 액추에이터는 제한 없는 환경에서 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있습니다.

통합 측면에서는 전자 부품의 배치와 연결을 최적화하여 신호 간섭과 에너지 손실을 줄이고, 중복 설계와 고장 진단 기능을 추가하여 시스템의 신뢰성과 안전성을 향상시켰습니다.

▍FiBa 소프트 로봇의 4가지 형태와 착륙 시나리오에 대한 논의

연구팀은 FiBa 액추에이터의 성능과 다재다능함을 검증하기 위해 거북이에서 영감을 받은 기어가기, 자벌레에서 영감을 받은 오르기, 박쥐에서 영감을 받은 앉아 있기, 무당벌레에서 영감을 받은 비행 등 4가지 제한 없는 생체 운동 모드를 성공적으로 시연했습니다.

거북이에서 영감을 받은 크롤링 로봇은 4개의 FiBa 굽힘 모듈을 "지느러미"로 사용하여 거북이의 앞다리를 시뮬레이션하여 로봇을 앞으로 추진합니다. 이 모듈은 가로로 휘어진 폴리머 필름을 통해 3D로 인쇄된 공압 풍선과 결합되어 가볍고 효율적인 굽힘 동작을 달성합니다. 이 로봇에는 또한 다양한 지형 조건에 적응하기 위해 필요한 경우 동체 높이를 조정하는 리프팅 액추에이터 모듈이 장착되어 있습니다.

적용 시나리오 측면에서 지진, 쓰나미와 같은 자연 재해가 발생한 후에는 폐허에 좁은 틈이 많이 생기는 경우가 많아 기존의 딱딱한 로봇으로는 들어가기 어렵습니다. 하지만 이 크롤링 로봇은 이러한 틈을 쉽게 통과하고, 인명 탐지기와 같은 장비를 운반하고, 갇힌 사람을 수색하고, 무선 통신을 통해 현장 상황을 실시간으로 구조대원에게 전송하여 구조 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

인치웜에서 영감을 받은 등반 로봇은 FiBa 굽힘 모듈과 그래스핑 모듈을 사용하여 인치웜의 크리핑 운동을 시뮬레이션하여 수직 등반을 달성합니다. 그래스핑 모듈은 팽창된 실리콘 풍선을 통해 등반 표면 주위에 단단히 감싸져 충분한 지지력을 제공합니다. 동시에 FiBa 굽힘 모듈은 로봇을 구동하여 등반 표면을 따라 이동하여 안정적인 등반을 달성합니다.

산업 분야에서 이 등반 로봇은 고층 빌딩의 수직 파이프라인, 교량 및 외벽의 검사 및 유지 관리에 사용될 수 있습니다. 이 로봇에는 고화질 카메라, 적외선 열 화상 카메라 및 기타 장비가 장착되어 구조물 표면을 자세히 검사하고 잠재적인 안전 위험을 신속하게 감지하며 수동 검사의 위험과 비용을 줄입니다. 이 등반 로봇은 또한 전력선 및 통신 타워와 같은 인프라 검사에서도 좋은 성능을 발휘합니다. 전봇대나 통신 타워를 따라 빠르게 상승하여 전선 절연체, 타워 바디 커넥터 등을 검사하여 검사 효율성과 정확성을 향상시킬 수 있습니다.

박쥐에서 영감을 받은 퍼칭 로봇은 FiBa 모듈을 사용하여 박쥐가 나뭇가지에 거꾸로 퍼칭하는 방식을 시뮬레이션하는 가벼운 4개 손가락 그리퍼를 제작합니다. 그리퍼 내부의 공압 구조는 팽창 후 강력한 그립력을 생성하여 로봇이 나뭇가지와 기둥과 같은 지지대에 안정적으로 퍼칭할 수 있도록 합니다.

응용 측면에서 이 퍼칭 로봇을 드론에 설치하면 드론의 비행 시간을 크게 늘릴 수 있습니다. 임무 중에 드론은 에너지를 절약하기 위해 지지대에 퍼칭하고 임무가 계속되면 다시 이륙하여 에너지 비용을 줄이고 응용 분야를 확장할 수 있습니다. 지질 탐사 및 임업 조사와 같은 현장 작업에서 퍼칭 로봇은 임시 지원 플랫폼으로 사용할 수 있습니다. 임무를 완료한 후 드론은 근처에 퍼칭하여 충전하거나 추가 지침을 기다릴 수 있어 운영 효율성과 안전성이 향상됩니다.

무당벌레에서 영감을 받은 비행 로봇은 FiBa 가변 강성 빔 모듈을 날개의 주요 구조적 구성 요소로 사용합니다. 이 모듈은 팽창 시 비행을 지지하기에 충분한 강성과 강도를 생성하며, 팽창하지 않은 상태에서 쉽게 접고 말아서 쉽게 운반하고 보관할 수 있습니다. 로봇에는 자율 비행과 자세 조정을 달성하기 위한 추력 장치와 제어 시스템도 장착되어 있습니다. 자연 재해와 같은 비상 상황에서 이 비행 로봇은 식량과 의약품과 같은 긴급히 필요한 물품을 재난 지역에 신속하고 정확하게 전달할 수 있습니다. 접이식 날개 디자인으로 로봇은 운송 중에 작은 공간을 차지할 수 있어 대규모 배치가 용이하며, 자율 비행 기능은 재료 배달의 정확성과 적시성을 보장합니다. 환경 모니터링 분야에서 비행 로봇은 다양한 센서와 장비를 운반하여 공기 질, 수질 등에 대한 포괄적인 모니터링과 데이터 수집을 수행할 수 있습니다. 유연한 비행 기능과 광범위한 모니터링 범위를 통해 로봇은 넓은 지역을 빠르게 커버하고 정확한 데이터 지원을 제공할 수 있습니다. 또한 농업 분야에서 해충 및 질병 모니터링과 작물 생장 상태 평가에도 사용할 수 있습니다.

▍결론 및 미래

FiBa 소프트 액추에이터의 등장은 소프트 로봇 기술에서 큰 돌파구를 의미합니다. 가벼운 소재를 선택하고 모듈식 설계를 적용하여 FiBa 액추에이터는 가볍고 다기능적인 특성을 가지고 있습니다. 이 설계는 기존 소프트 로봇의 무게 문제를 해결할 뿐만 아니라 실제 시나리오에서 매우 높은 일반화를 가지고 있습니다. 앞으로 연구자들은 FiBa 액추에이터의 설계와 기술 솔루션을 최적화하여 성능과 신뢰성을 개선할 것입니다. 또한 지능형 제어 및 자율 주행 기술이 개발됨에 따라 FiBa 소프트 로봇은 앞으로 더욱 지능적으로 수행할 것으로 예상됩니다.