Programmable Telescopic Soft Pneumatic Actuators for Deployable and Shape Morphing Soft Robots
본 논문은 체계적인 설계 탐색을 통해 검증되고 좁은 공간에 적응 가능한 사족 보행 로봇에서 시연된, 전개형 로봇을 위한 축 방향 팽창 및 형상 변형을 가능하게 하는 파라메트릭 클래스의 소프트 액추에이터인 프로그래머블 텔레스코픽 소프트 뉴매틱 액추에이터(PTSPAs)를 소개한다.
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단단한 금속 부품이나 복잡한 기어로 만들어질 필요 없이, 늘어나고 구부러지며 스스로 형태를 바꿀 수 있는 부드럽고 유연한 재료로 만들어진 로봇을 상상해 보십시오. 이것이 바로 소프트 로보틱스(soft robotics)가 약속하는 미래입니다. 이 분야는 전통적인 로봇이 끼이거나 부서질 수 있는 좁고 예측 불가능한 공간을 통과할 수 있는 기계를 만드는 것을 목표로 합니다. 고정된 관절과 모터에 의존하는 일반적인 기계와 달리, 소프트 로봇은 공기압을 사용하여 형태를 변화시킴으로써 좁은 틈 사이를 비집고 들어가거나, 연약한 물체를 찌그러뜨리지 않고 움켜쥐거나, 주변 환경에 맞춰 자신의 몸을 적응시킬 수 있습니다. 하지만 이러한 기계를 설계하는 것은 매우 어려운 난제였습니다. 부드러운 재료는 거의 무한한 수의 형태를 가질 수 있기 때문에, 엔지니어들은 특정 설계가 어떻게 움직일지 또는 얼마나 강할지를 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 찾는 데 어려움을 겪었습니다. 가능성이 너무 많아 모든 옵션을 테스트하기가 어렵다 보니, 연구자들은 더 나은, 더 다재다능한 소프트 기계를 만들기 위한 명확한 지도 없이 막막한 상태였습니다.
이 문제를 해결하기 위해 호주의 연구팀은 '프로그래밍 가능한 텔레스코픽 소프트 공압 액추에이터(programmable telescopic soft pneumatic actuator)'라는 새로운 유형의 소프트 로봇 부품을 개발했습니다. 이 장치를 마치 망원경의 마디가 확장되는 것처럼, 공기가 채워지면 훨씬 더 길게 늘어날 수 있는 유연한 튜브라고 생각하십시오. 다만 이 튜브는 완전히 부드러운 고무 같은 재료로 만들어져 있습니다. 연구진은 사용자가 간단한 지침을 입력하여 맞춤형 버전의 튜브를 만들 수 있는 디자인 생성기 역할을 하는 컴퓨터 시스템을 구축했습니다. 모든 곡선을 일일이 직접 그리는 대신, 이 시스템은 액추에이터의 내부 구조를 형성하기 위한 일련의 조정 가능한 규칙들을 사용합니다. 이러한 방식 덕분에 연구진은 어떤 디자인이 가장 멀리 늘어나는지, 특정 방향으로 구부러지는지, 혹은 벽을 밀어낼 만큼 단단해지는지를 확인하기 위해 수백 가지의 서로 다른 디자인을 빠르게 테스트할 수 있었습니다. 설계를 자동화함으로써, 그들은 완벽한 형태를 찾기 위한 혼란스러운 탐색 과정을 관리 가능한 단계별 탐색 과정으로 바꾸어 놓았습니다.
연구팀은 특수한 부드러운 플라스틱을 사용하는 3D 프린터를 사용하여 이러한 액추에이터들을 제작했으며, 이를 통해 움직임을 정확하게 측정할 수 있는 기계로 테스트했습니다. 그들은 벽의 두께나 내부 곡선의 모양을 변경함으로써 액추에이터의 동작을 제어할 수 있다는 것을 발견했습니다. 어떤 디자인은 원래 길이의 6배 이상으로 늘어났는데, 이러한 엄청난 확장은 로봇이 먼 공간까지 도달했다가 다시 물러날 수 있게 해줍니다. 또 다른 디자인은 자라나면서 동시에 구부러지도록 설계되었는데, 이는 로봇이 코너를 돌 때 조향하는 데 유용합니다. 연구진은 가장 성공적인 디자인들이 재료 내부의 특정 두꺼운 부분과 얇은 부분의 패턴에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 변화는 액추에이터가 찌그러지지 않고 매끄럽게 확장되도록 도왔으며, 결정적으로, 공기를 빨아들였을 때 신뢰할 수 있게 수축(retract)할 수 있게 해주었습니다. 기존의 많은 소프트 로봇들은 재료가 너무 흐물거려 스스로 원래 모양으로 돌아오지 못했기 때문에 이 기능이 부족했습니다.
이 새로운 부품들이 실제 상황에서 어떻게 사용될 수 있는지 증명하기 위해, 연구진은 긴 확장형 꼬리와 척추를 가진 작은 네 발 달린 소프트 로봇을 제작했습니다. 그들은 거북이와 캥거루의 특징을 결합했다 하여 이 창조물에 "터틀-루(Turtle-Roo)"라는 이름을 붙였습니다. 탁 트인 공간에서 이 로봇은 척추와 다리를 늘려 마치 누에처럼 긴 걸음을 내디딜 수 있습니다. 거친 지면에 맞닥뜨리면, 더 느리고 안정적인 기어가는 동작으로 전환할 수 있습니다. 하지만 진정한 시험대는 좁은 터널과 같은 폐쇄된 공간이었습니다. 로봇의 다리와 꼬리가 이 새로운 텔레스코픽 액추에터로 만들어졌기 때문에, 로봇은 어디로 가야 할지 알려주는 센서나 카메라 없이도 좁은 입구를 통과해 낼 수 있었습니다. 로봇이 앞으로 나아갈 때, 부드러운 몸체가 자연스럽게 터널 벽에 부딪히며 출구를 향해 스스로를 안내했습니다. 물리적 공간에 직접 반응하여 형태와 움직임을 자동으로 조절하는 이 능력은 로봇의 몸체 자체에 내장된 새로운 종류의 지능을 보여주었습니다.
이 연구는 소프트 부품을 체계적인 방법으로 설계함으로써, 엔지니어들이 단순히 유연할 뿐만 아니라 명령에 따라 크기와 형태를 고도로 변화시킬 수 있는 기계를 만들 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 새로운 액추에이터가 최대 650%의 길이 증가를 달 수 있음을 입증했는데, 이는 작은 패키지에서 커다로 작동하는 기계로 전개될 수 있는 로봇의 길을 열어주는 중요한 도약입니다. 현재의 프로토타입은 약 100회 사용 후 마모되는 재료로 만들어졌지만, 이 설계 프레임워크의 성공은 향후 버전이 더 내구성이 강한 재료로 만들어질 수 있음을 시사합니다. 이러한 접근 방식은 재료의 형태를 변화시켜 세상에 맞출 수 있는 로봇을 통해 재난 지역을 탐사하거나, 깊은 해저 동굴을 탐험하거나, 의료 절차를 돕는 로봇을 구축할 수 있는 명확한 경로를 제시합니다.
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