Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

자연계에서 움직임은 종종 신체와 환경 사이의 대화처럼 느껴집니다. 흙 속을 기어가는 지렁이나 잎사귀를 항해하는 곤충은 모든 명령을 내리기 위해 하나의 중앙 집중식 뇌에 의존하지 않습니다. 대신, 이 생물들은 몸을 따라 흐르는 분산된 신경망을 사용하여, 각 부분이 전체적인 조화로운 리듬을 유지하면서도 국소적인 조건에 반응할 수 있게 합니다. '중앙 패턴 생성기(central pattern generator)'라고 알려진 이 생물학적 전략은 회복력과 적응성을 제공합니다. 즉, 시스템의 한 부분이 방해를 받더라도 나머지 부분은 상부의 명령 없이도 스스로 조절할 수 있습니다. 유연하고 순응적인 재료를 사용하여 기계를 제작하는 데 전념하는 분야인 소프트 로보틱스는 오랫동안 이러한 탈중앙화된 지능을 모방하고자 노력해 왔습니다. 그러나 오늘날 대부분의 소프트 로봇은 여로 움직임을 지시하기 위해 부피가 큰 외부 펌프와 복잡한 전자 제어기에 여전히 의존하며, 이는 원격지나 섬세한 환경에서 독립적으로 작동하는 능력을 제한합니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 연구진은 자연에서 발견되는 것과 동일한 원리를 사용하되 디지털 전자 장치 없이 스스로를 제어하는 소프트 로봇을 개발함으로써 이 문제를 해결하는 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 그들은 '공압 뉴런(pneumatic neuron)'이라 부르는 새로운 유형의 소프트 모듈을 개발했는데, 이는 감지, 사고, 행동을 동시에 수행할 수 있는 자립형 단위로 기능합니다. 이 모듈들을 고리 형태로 연결함으로써, 연구진은 마치 지렁이의 신경계처럼 스스로 리드미컬한 움직임을 생성하는 시스템을 만들었습니다. 로봇은 컴퓨터 프로그램이 아닌 열과 압력의 물리학에 의해 완전히 구동되는 이동 파동(traveling wave) 방식으로 각 마디를 팽창시키고 수축시키며 움직입니다. 이러한 접근 방식은 로봇이 주변 환경에 반응함으로써 온도 변화나 물리적 하중에 맞춰 움직임을 조절할 수 있게 하여, 그들이 모방하는 살아있는 생명체만큼이나 견고하고 자율적인 기계를 향한 새로운 길을 제시합니다.

이 발명품의 핵심은 매우 낮은 온도에서 끓는 특수 액체로 채워진 작은 부드러운 주머니입니다. 각 주머니 안에는 아주 작은 히터와 유연한 플라스틱으로 만든 기계적 스위치가 들어 있습니다. 히터에 전기가 흐르면 주머니 내부의 액체가 기체로 변하여 주머니를 팽창시킵니다. 이 팽창은 단순한 움직임이 아니라 하나의 신호이기도 합니다. 주머니가 팽창함에 따라 내부의 기계적 스위치를 누르게 됩니다. 이 스위치는 두 가지 뚜렷한 임계값을 갖도록 설계되었습니다. 하나는 이전 모듈로 가는 전원을 차단하는 낮은 지점이고, 다른 하나는 다음 모듈로 전원을 보내는 높은 지점입니다. 이것은 연구진이 '팽창 후 발화(inflate-and-fire)'라고 부르는 순환을 만들어냅니다. 모듈이 팽창하여 이웃 모듈을 자극하고, 이후 냉각되어 가스가 다시 액체로 돌아가 순환이 다시 시작될 수 있게 합니다. 액체가 매우 낮은 온도에서 끓기 때문에 시스템은 매우 적은 에너지로 작동할 수 있으며, 스위치가 기계적이기 때문에 마이크로칩이나 소프트웨어가 필요하지 않습니다.

연구진은 이 개별 모듈들이 함께 작동하여 복잡한 움직임을 만들어낼 수 있는지 테스트하기 위해 모듈들을 고리 형태로 연결했습니다. 그들은 시스템이 안정적이고 반복적인 파동 운동을 생성하기 위해 모듈이 세 가지 특정 동작을 수행해야 한다는 것을 발견했습니다. 즉, 다음 모듈을 자극해야 하고, 이전 모듈을 억제해야 하며, 다음 모듈이 제어권을 넘겨받을 때까지 자신의 상태를 유지해야 합니다. 이 세 가지 행동 중 하나라도 없으면 시스템은 단일 팽창 상태에 갇히거나 신호가 고리를 따라 전달되기 전에 사라져 버릴 것입니다. 연구진이 단 세 개의 모듈로 고리를 만들었을 때, 시스템은 연속적인 이동 파동을 성공적으로 생성했습니다. 어느 순간에도 세 개 중 두 개의 모듈은 활성화되어 따뜻한 상태를 유지하며 신호를 매끄럽게 전달했습니다. 이 '두 개가 뜨거운(two-hot)' 상태 덕분에 로봇은 전원만 공급된다면 무한히 리듬을 유지할 수 있었으며, 이는 네트워크가 중앙 뇌 없이도 스스로 조직화될 수 있음을 증명했습니다.

이 시스템의 진정한 힘은 물리적 세계에 적응하는 능력에 있습니다. 연구진은 특정 모듈에 무게를 더하거나 주변 온도를 변화시켜 로봇을 테스트했습니다. 로봇에 무거운 무게를 올렸을 때, 추가된 압력으로 인해 기계적 스위치가 더 빨리 작동했지만, 무게 때문에 모듈이 수축하는 것이 더 어려워졌습니다. 이는 파동의 타이밍을 변화시켜 로봇의 속도를 늦추었지만, 멈추게 하지는 않았습니다. 로봇은 단순히 새로운 하중에 맞춰 속도를 조절했습니다. 마찬가지로, 냉동실에서 로봇을 차갑게 했을 때, 액체가 충분히 빨리 끓지 못해 파동이 느려지다가 결국 멈췄습니다. 핫플레이트 위에서 가열했을 때는 모듈이 자발적으로 팽창하여 시스템이 진동을 멈추고 정적인 형태를 유지하는 다른 상태로 진입했습니다. 이러한 실험들은 로봇의 행동이 미리 작성된 코드로 고정된 것이 아니라, 로봇의 재료 특성과 환경 사이의 상호작용으로부터 직접적으로 나타나는 것임을 보여주었습니다.

아마도 이 시스템의 회복력을 가장 극적으로 보여준 것은 연구진이 고리를 물리적으로 절단했을 때였습니다. 전통적인 로봇에서는 제어선을 끊으면 기계 전체가 고장 납니다. 그러나 여기서는 팀이 6개 모듈로 된 고리를 두 개의 3개 모듈 고리로 잘랐을 때, 두 부분 모두 즉시 스스로 진동하기 시작했습니다. 한쪽은 파동을 계속 이어갔고, 다른 한쪽은 짧은 수동 재시동 후에 역시 자신만의 리듬을 찾아냈습니다. 시스템은 재프로그래밍되거나 재배선될 필요가 없었습니다. 연결을 끊는 단순한 행위만으로도 두 개의 새로운 고리가 독립적인 패턴을 형성할 수 있었습니다. 이는 이 공압 뉴형이 손상을 입었을 때 견딜 수 있는 로봇을 만드는 데 사용될 수 있음을 시사하며, 일부 동물이 잃어버린 사지를 재생하는 것처럼 찢어지더라도 더 작은 기능적 단위로 나뉠 수 있음을 의미합니다.

연구진은 또한 로봇이 실제로 표면을 가로질러 이동할 수 있는지 확인하기 위해 모듈에 작은 L자형 다리를 부착했습니다. 모듈이 이동 파동에 따라 팽창하고 수축함에 따라, 다리는 팽창했을 때는 지면을 움켜쥐고 수축했을 때는 미끄러지며 지렁이와 유사한 기어가는 움직임을 만들어냈습니다. 로봇은 6회의 사이클 동안 약 25mm를 앞으로 이동했는데, 이 속도는 액체가 끓고 식는 데 걸리는 시간에 의해 결정되었습니다. 이는 기계적 로봇에 비하면 느린 편이지만, 연구진은 이 속도가 건축 구조 자체가 아니라 선택된 재료의 특성이라고 언급했습니다. 유체나 히터를 변경함으로써 근본적인 논리를 바꾸지 않고도 타이밍을 조절할 수 있습니다. 외부 펌프나 전자 제어기 없이 이동 능력을 생성하는 이러한 능력은 지하 깊은 곳이나 우주와 같이 무거운 장비를 운반하는 것이 불가능한 곳에서 작동할 수 있는 로봇에 대한 가능성을 열어줍니다.

이 연구는 소프트 로봇이 설계되는 방식의 변화를 나타냅니다. 즉, 별도의 컴퓨터에 의해 제어되는 기계라는 개념에서 벗어나, 신체 자체가 컴퓨터가 되는 기계로 나아가고 있습니다. 움직임의 논리를 재료와 액추에이터의 물리학 속에 직접 심어둠으로써, 연구진은 본질적으로 모듈화되고 견고한 시스템을 만들어냈습니다. 로봇은 자신이 어디에 있는지 또는 환경이 어떤 모습인지 '알' 필요가 없습니다. 그저 열, 압력, 그리고 연결에 반응할 뿐입니다. 더 빠른 움직임을 위해 더 높은 온도를 견딜 수 있는 재료를 찾는 것과 같은 과제가 여전히 남아 있지만, 공압 뉴런은 적응형 로보틱스를 위한 새로운 청사진을 제공합니다. 이는 기계가 팽창과 발화라는 단순하고 우아한 물리학을 통해 복잡한 세계를 항해하며, 그들에게 영감을 준 살아있는 유기체만큼이나 유연하고 자급자족할 수 있는 미래를 암시합니다.