Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion

소프트 로봇은 금속이나 기어처럼 딱딱한 재료 대신 구부러지고, 늘어나고, 찌그러질 수 있는 재료로 만들어진 기계입니다. 이러한 유연성 덕분에 이들은 만지기에 안전하며 스마트 셔츠나 의료용 보조기처럼 인체에 착용하기에 이상적입니다. 하지만 이 부드러움은 바로 이들의 가장 큰 약점이기도 합니다. 너무 유연하기 때문에 무거운 물체를 운반하거나 강한 힘에 저항할 때 무너져 내리기 쉽습니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 부드럽고 안전한 로봇을 만들 것인지, 아니면 무거운 짐을 들 수 있을 만큼 강한 로봇을 만들 것인지에 대한 어려운 선택에 직면해 왔으며, 대개 두 가지를 동시에 달성하는 데는 어려움을 겪었습니다.

한 연구팀은 인류의 가장 오래된 기술 중 하나인 '직조(weaving)'에서 힌트를 얻어 이 간극을 메울 방법을 찾아냈습니다. 바구니 제작자가 유연한 갈대를 서로 엮어 가볍고도 튼튼한 용기를 만드는 것처럼, 과학자들은 얇은 조각들을 엮어 움직이고, 무게를 견디며, 압착되는 압력에서도 살아남을 수 있는 3차원 형태를 만들어냈습니다. 이 직조 구조 안에 열을 가하면 수축하는 특수 와이어를 심음으로써, 그들은 걷기에 충분히 부드러우면서도 자신보다 훨씬 무거운 하중을 견딜 수 있을 만큼 충분히 단단한 새로운 종류의 로봇을 만들어냈습니다.

연구진은 먼저 "직조된 모서리(woven corner)"라고 부르는 하나의 기초적인 구성 요소를 만드는 것부터 시작했습니다. 세 그룹의 얇고 평평한 리본을 직각 방향으로 서로 엮어, 마치 짜여진 바구니의 모서리와 유사한 형태를 만든다고 상상해 보십시오. 이 모서리를 움직이게 하기 위해, 연구진은 특수 금속 합금으로 된 두 개의 코일형 와이어를 구조물 사이에 끼워 넣었습니다. 이 와이어들은 전류가 흐르면 열을 받아 수축하도록 설계되었습니다. 연구진이 작은 전류를 흘려보내면 와이어가 가열되어 줄어들면서 직조된 모서리를 새로운 모양으로 잡아당겼습니다. 전류가 멈추고 와이어가 식으면, 모서리는 다시 원래의 형태로 돌아갔습니다.

와이어를 정교하게 배치함으로써, 연구진은 이 모서리가 걸을 수 있게 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 한쪽의 와이어가 가열되면 모서리가 접히면서 뒷다리는 앞으로 미끄러지고 앞다리는 고정되는 방식으로 움직였습니다. 반대로 와이어가 식으면 앞다리가 앞으로 미끄러지고 뒷다리는 지면에 고정되었습니다. 이 가열과 냉각의 주기를 반복함으로써 모서리는 몇 단계의 발걸음을 거쳐 앞으로 이동했습니다. 또한 연구진은 단 하나의 와이어만 가열하여 구조물을 회전시킴으로써 모서리의 방향을 조절할 수 있음을 보여주었습니다. 이 단순한 단위체는 직조된 구조가 움직일 수 있을 만큼 유연하면서도 무게를 지탱할 수 있을 만큼 강하다는 것을 입증했습니다.

이 개념을 더 큰 규모로 확장할 수 있는지 확인하기 위해, 연구팀은 이 직조된 모서리들을 조립하여 더 크고 복ло한 로봇들을 제작했습니다. 그들은 몸 전체를 수축하고 팽창하며 움직이는 정육면체를 만들었으며, 다리가 두 개, 세 개, 네 개인 생명체들도 다리를 굽히며 걷도록 만들었습니다. 이 로봇들은 모두 동일한 직조 재료와 열 수축 와이어로 제작되었습니다. 결과는 놀라웠습니다. 10그램 무게의 직조된 모서리가 자신의 무게보다 25배 무거운 하중을 견딜 수 있었던 반면, 더 넓은 범위의 직조 로봇 제품군은 앞으로 나아가면서도 자기 무게의 최대 70배에 달하는 하중을 견딜 수 있었습니다. 예를 들어, 무게가 10그램인 로봇은 걷는 능력을 잃지 않으면서도 작은 사과 한 알 정도의 무게인 250그램의 하중을 운반할 수 있었습니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 이 로봇들이 극심한 학대 상황에서도 얼마나 잘 견뎌냈는가 하는 점일 것입니다. 연구진은 직조된 모서리에 자기 무게의 1,300배에 달하는 압착력을 가해 완전히 납작하게 만들었습니다. 로봇들은 부서지거나 찌그러진 상태로 남는 대신, 다시 튀어 올랐습니다. 직조된 리본들은 충격을 흡수하며 굽혀졌고 영구적으로 변형되지 않았으며, 늘어나고 뒤틀렸던 금속 와이어들도 압력이 해제되자 원래의 모양으로 돌아왔습니다. 여러 번 짓눌리고 납작해진 후에도 로봇들은 이전과 똑같은 경로를 따라 계속해서 걸어갔으며, 성능 저하도 보이지 않았습니다.

이러한 탄력성의 비결은 직조 구조 자체의 설계에 있습니다. 압력에 의해 균열이 생길 수 있는 고체 덩어리와 달리, 직조 구조는 개별 가닥들이 국부적으로 굽히거나 휘어지게 하여 힘을 전체 형상으로 분산시킵니다. 이는 짠 바구니를 납작하게 눌렀다가 다시 원래 모양으로 튀어 오르게 할 수 있는 것과 비슷하며, 반면 단단한 플라스틱 컵은 깨지거나 찌그러진 채로 남는 것과는 대조적입니다. 연구진은 컴퓨터 모델을 사용하여 구조가 어떻게 움직이는지 정확히 파악했는데, 그 결과 이 직조 구조는 직선으로 당겨질 때는 자연스럽게 단단해지지만 옆으로 굽힐 때는 유연해진다는 것을 발견했습니다. 이러한 독특한 특성 덕분에 효율적인 움직임을 위해 굽힘이 발생하는 위치에 움직이는 와이어를 배치하면서도, 무거운 하중을 견딜 수 있을 만큼 구조를 단단하게 유지할 수 있었습니다.

이 연구는 직조가 단순히 천을 만드는 방법이 아니라, 기계를 만들기 위한 강력한 공학적 전략임을 보여줍니다. 고대의 직조 기술을 현대의 활성 재료와 결격함으로써, 연구진은 부드럽고 강하며 믿을 수 없을 정도로 튼튼한 새로운 종류의 로봇을 만들어냈습니다. 이 기계들은 언젠가 사람들이 무거운 물건을 드는 것을 돕는 웨어러블 외골격이 되거나, 잔해 속을 기어 다니며 물자를 운반할 수 있는 구조 로봇이 될 수 있습니다. 이 연구는 3차원으로 생각하고 직조 구조의 자연스러운 특성을 활용함으로써, 엔지니어들이 실제 작업을 수행할 수 있을 만큼 강하면서도 부드러운 소프트 로봇을 만드는 오랜 문제를 해결할 수 있음을 보여줍니다.