Flexible transmission via permeability variation: a universal approach for soft actuators

당신이 젤리 같은 재료로 만들어진 아주 부드럽고 말랑말랑한 로봇을 가지고 있다고 상상해 보세요. 이러한 "소프트 액추에이터(soft actuators)"는 딱딱한 금속 로봇은 할 수 없는 기이하고 불규칙한 방식으로 구부러지고, 늘어나고, 꿈틀거릴 수 있어 매우 놀랍습니다. 하지만 문제는, 이 로봇들이 무거운 것을 들어 올리기에는 너무 약하다는 점입니다. 일반적인 로봇의 세계에서는 속도를 힘으로 바꾸는 기어 상자인 **기어박스(gearbox)**를 추가하여 약한 모터를 보완합니다. 하지만 당신은 이 기어 상자를 말랑말랑한 젤리 로봇에 그냥 볼트로 고정할 수는 없습니다. 그렇게 하면 로봇 특유의 부드러움이 사라지고 공간도 너무 많이 차지할 것이기 때문입니다.

여기 하얼빈 공학대학교와 하얼빈 공업대학교의 연구진이 제안하는, 소프트 로봇을 위한 영리하고 투명한 "보이지 않는 기어박스"인 **투과율 조절 자기 전달 시스템(Permeability-Tuned Magnetic Transmission, PTMT)**이 있습니다.

보이지 않는 기어박스

표준적인 기어박스를 기어가 서로 맞물려 힘을 전달하는 기계적 악수라고 생각한다면, PTMT는 마치 자기적인 하이파이브와 같습니다. 이는 자석을 이용해 서로 접촉하지 않고도 힘을 전달합니다.

이 마법 같은 원리는 다음과 같습니다. 이 시스템은 두 개의 강력한 영구 자석(이들을 "보스(Bosses)"라고 부릅시다)과 하나의 부드럽고 말랑한 철 조각(이것을 "헬퍼(Helper)"라고 부릅시다)을 사용합니다.

1. 입력: 당신의 소프트 로봇(예: 말랑한 공기 주머니나 신축성 있는 필름)이 "헬퍼" 철 조각을 아주 조금 밀어냅니다.
2. 마법: 이 작은 움직임은 자기장이 공간을 통해 얼마나 쉽게 흐를 수 있는지(과학자들은 이를 "투과율"을 변화시킨다고 부릅니다)를 변화시킵니다. 이는 마치 자기장의 모양을 바꾸기 위해 자기장 안에 금속 조각을 밀어 넣는 것과 같습니다.
3. 출력: 자기장이 변했기 때문에, "보스" 자석들은 갑자기 훨씬 더 강한 밀거나 당기는 힘을 느끼게 됩니다. 소프트 로봇의 작은 움직임이 자석의 강력한 밀기 동작으로 변하는 것입니다.

이 논문은 이 설정이 소프트 로봇을 위한 보편적인 번역기 역할을 하여, 부피가 큰 기어 없이도 꿈틀거리고 불규로한 움직임을 강력하고 유용한 힘으로 바꿀 수 있다고 제提案합니다.

세 가지 테스트 드라이브

연구팀은 단순히 상상만 한 것이 아니라, 실제로 제작하여 서로 다른 유형의 소프트 로봇과 함께 세 가지 방식으로 테스트했습니다.

1. 신축성 있는 필름 (유전체 엘라스토머)
그들은 전기 충격을 주면 팽창하는 신축성 있는 플라스틱 필름에 이 자기 시스템을 부착했습니다.

• 결과: 필름이 단 0.4mm만큼 늘어났을 때, 자기 시스템이 힘을 증폭시켰습니다. 출력되는 힘은 필름이 스스로 낼 수 있는 힘의 **169%**가 되었습니다.
• 보너스: 자기 시스템이 도와주었기 때문에, 로봇은 전기를 덜 필요로 했습니다. 특정 부하에서 전력 요구량은 이전의 **75.7%**로 감소했습니다. 이는 같은 양의 에너지로 더 큰 펀치를 얻는 것과 같습니다.

2. 공기 주머니 (공압 액추에이터)
다음으로, 그들은 공기를 불어넣으면 구부러지는 전형적인 공기 구동 로봇을 사용했습니다.

• 결과: 이 실험 결과는 훨씬 더 강력했습니다. 자기 시스템은 힘을 224% 증폭시켰습니다. 로봇이 멈춰서 움직일 수 없는 상태("스톨" 조건)에서도, 공기만 있을 때보다 246% 더 많은 힘으로 밀어냈습니다.
• 속도: 속도 또한 빨라졌습니다. 자기 버전은 단 0.4초 만에 최대 굴곡의 **63%**에 도달한 반면, 자석이 없는 버전은 **33.9%**에 그쳤습니다.

3. 굽힘 관절 (케이블 구동 방식)
마지막으로, 그들은 손가락처럼 구부러지는 관절에 이 시스템을 적용했습니다.

• 결과: 이것은 단순히 힘에 관한 것이 아니라 **강성(stiffness)**에 관한 것이었습니다. 자석을 미세하게 조정함으로써, 그들은 관절을 원하는 대로 "부드럽게" 또는 "딱딱하게" 만들 수 있었습니다.
• 멋진 점: 그들은 "쌍안정(bistable)" 관절을 만들어내는 데 성공했습니다. 즉, 이 관절은 위치를 유지하기 위해 지속적인 전력이 필요 없이도 특정 위치(전등 스위치가 '켜짐' 또는 '꺼짐' 상태로 딸깍하고 걸리는 것처럼)에 안정적으로 머무를 수 있는 두 가지 안정적인 상태를 가집니다. 이는 전통적인 재료로는 구현하기 어려운 기능입니다.

이것이 아닌 것 (그리고 우리가 아직 모르는 것)

이 논문이 말하지 않는 내용을 아는 것도 중요합니다.

• 마법 같은 기어는 없음: 이 논문은 소프트 로봇에 전통적인 기계적 기어(톱니바퀴나 링크 장치 등)를 사용하는 것에 대해 명시적으로 반대합니다. 그러한 것들은 불규칙하고 말랑말랑한 움직임에 잘 작동하지 않기 때문입니다.
• 아직 완벽한 해결책은 아님: 저자들은 이것이 하나의 "개념"이자 "방법론"이라고 주의를 기울였습니다. 시뮬레이션과 실험 결과는 훌륭하지만, 여로 한계가 존재합니다.
  • 마찰: 시스템은 자기력이 완벽하게 작동한다고 가정하지만, 실제 환경에서는 자석을 고정하는 고무 프레임이 마찰을 일으켜 증폭된 힘의 일부를 깎아먹습니다.
  • 거리: 자기장은 빠르게 약해집니다. 단일 유닛은 짧은 거리만 이동할 수 있습니다. 로봇이 멀리 이동하게 하려면 여러 개의 유닛을 사슬처럼 연결해야 할 수도 있습니다.
  • 트레이드오프(상충 관계): 실제 기어박스와 마찬가지로, 엄청난 힘의 증폭을 얻으면 움직임 거리는 줄어듭니다. 논문은 높은 힘 증폭비를 얻으려면 출력 움직임이 입력 움직임보다 작아야 한다고 언급합니다. 이것은 공짜 점심이 아니라 트레이드오프 관계입니다.

미래의 아이디어: 녹슨 마법?

논문은 또한 미래를 위한 대담하고 실험적인 아이디어를 제안합니다. 철 조각을 물리적으로 움직이는 대신, 화학적으로 철의 특성을 바꿀 수 있다면 어떨까요? 그들은 구리 폼(copper foam) 위에 전기를 사용하여 철을 성장시키거나 녹이는 방법을 테스트했습니다.

• 실험: 그들은 작은 물체를 5도 회전시키기 위해 약 40초 만에 충분한 양의 철을 성장시키는 데 성공했습니다.
• 상태: 이것은 단지 "검증 실험"입니다. 이는 아이디어가 가능하다는 것을 입증하지만, 논문은 이 기술이 당장 로봇 공장에 투입될 준비가 되었다고 주장하지는 않습니다. 이는 우리가 언젠가 모터 대신 화학 반응으로 자기 강도를 제어할 수 있을지도 모른다는 제안입니다.

결론

이 논문은 자기장을 이용해 자기력이 흐르는 방식을 "조절"함으로써, 소프트 로봇을 위한 보편적이고 보이지 않는 전달 시스템을 구축할 수 있다고 제안합니다. 이는 소프트 로봇을 더 강하고, 에너지 효율적이며, 스스로 강성을 조절할 수 있게 만들 수 있음을 시사합니다. 실험 결과는 실험실 환경에서 잘 작동하며, 어떤 경우에는 힘을 거의 2.5배까지 증폭시킨다는 것을 보여주었습니다. 하지만 저자들은 실제 환경의 마찰과 거리 제한 때문에, 이 로봇들이 여러분의 거실에 놓이기까지는 여전히 할 일이 많다는 점을 상기시켜 줍니다.