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소프트 로봇 : 지능 재료, 창의 설계, 첨단 생산 기술의 융합

한민우 (Min-Woo Han)(동국대 기계로봇에너지공학과) / mwhan at dongguk.edu

- 온도에 반응하는 형상기억합금을 섬유 형태로 활용하여 텍스타일을 구성하고 이를 꽃 형태로 제작하여 다양한 모드의 구동을 구현한 내용입니다.

지능형 섬유인 형상기억합금 섬유를 뜨개질 방식에 적합한 형태로 가공한 후에 이를 활용하여 루프를 제작하였습니다. 루프의 패턴 조합에 따라 구동 후의 형상과 변형힘이 결정되는 새로운 소프트 모핑 구동 방식입니다.

루프 패턴을 지닌 구조물은 패턴 조합에 따라 특정한 방향성을 지니게 됩니다. 길이 방향으로 단순 수축 동작만이 가능한 지능형 섬유를 활용하여 루프로 구성된 텍스타일을 제작하게 되면, 섬유 수축에 의한 면내 (in-plane), 면외 (out-of-plane) 변형이 발생하게 됩니다. 다양한 루프 패턴을 적용하기 위하여 뜨개질 방식을 활용하였습니다. 텍스타일을 제작하는 뜨개 방식은 매우 다양합니다. 기본 뜨개 방식을 사용한 2D 구조물 형태의 소프트 텍스타일 구동기를 개발하고 이의 구동 모드와 특성을 파악하였습니다. 기본 뜨개 패턴 조합에 따라 섬유의 수축으로 기인되는 텍스타일 구동이 각기 다른 양상을 보였습니다. 기본 뜨개 방식을 토대로 이를 응용한 3D 텍스타일 구동기를 설계하고 조합하여 복잡한 꽃 형상을 제작하고 실제 꽃의 자유로운 개화 동작을 모사하도록 하였습니다. 이는 3차원 소프트 모핑 구조물 제작 가능성과 설계된 3차원 구동 모드의 구현이 가능함을 보여주고 있습니다.

해당 연구는 3차원 모핑 (morphing) 구조물의 제작과 구동 방식에 대한 새로운 기법을 제시하고 있습니다. 이의 구현을 위하여, 일상 생활에서 쉽게 접할 수 있는 뜨개질 방식을 활용하였습니다. 뜨개 과정에서 활용되는 루프 조성 패턴과 이로 기인되는 구동 원리는 소프트 로봇의 구동 연구에 있어 새로운 확장 가능성을 제안합니다.

뜨개질은 직물과 의류의 생산에 통상적으로 활용되는 제작 기법으로 섬유 기반 제품의 대량 생산에 적합하여 장갑, 양말, 모자, 조끼 등의 의복 제작에 널리 활용이 되고 있습니다. 루프 기반 능동 구조물은 기존 뜨개 적용 제품에 기능성을 부여한 웨어러블 장치 및 엑소수트의 형태로 제작이 용이합니다. 또한, 제시한 구동 기법을 활용하여 생체모방 로봇, 기능성 웨어러블 (wearable) 장치, 엑소수트 (exosuit) 등 관련 분야로의 적용이 가능합니다.

3. 로봇이 대부분 딱딱한 금속이나 플라스틱으로 구현되는데 반해서 소프트 로봇은 여러가지 장점에도 불구하고 다른 로봇처럼 현재 보편화 되지 않고 있는데, 어떤 어려움과 극복해야할 과제가 있는지 궁금합니다.

- 로봇의 활동 영역이 확장됨에 따라 복잡하고 다양한 비정형 환경에서도 활용 가능한 대응 기술들의 필요성이 증가하고 있습니다. 소프트 로봇은 생물체들이 지닌 연성을 토대로 하는 환경 적응성에 착안하였으며 유연한 소재를 로봇 구조물에 적용하는 것에서 시작이 되었습니다. 유연성, 신축성, 부드러운 성질을 로봇 구조물과 로봇의 동작 발생에 적용하여 외부 환경에 적응 가능하며 인체 친화적인 형태로 활용 가능한 시스템 구축을 위한 연구가 가속화되고 있습니다.

유연하고 부드러운 재료, 외부 환경에 반응하는 지능 재료 등 재료 개발 및 활용 연구, 연성 메커니즘의 고안, 유연 기계 구조물 설계 및 제작 등의 설계 생산 방식 연구, 소프트 구동기의 제어 및 알고리즘 개발 등의 동력 전달 및 제어와 관련된 연구 등 매우 다양한 형태로 소프트 로봇 시스템 개발에 대한 연구가 전세계적으로 다각도로 진행이 되고 있습니다.

소프트 로봇은 유연하고 부드러운 소재를 활용하는 로봇으로, 이를 구현하기 위한 요소 기술들에 있어 기존 기계와 로봇 기술들이 지니고 있는 가치관의 확대와 경우에 따라서는 패러다임의 전환이 요구됩니다. 활용범위가 무궁무진한 소프트 로봇 분야의 실용화/보편화를 위하여 접근 및 활용이 용이한 소재/설계 기법/생산 기술 고안, 사용자의 활용성/편의성을 높이기 위한 시스템/제어 기법 고안 등 소프트 로봇 기술의 일상 생활 적용을 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있기에 생활문제 해결을 위한 실생활 밀착 기술로써 사회에 기여할 날이 조만간 우리 곁에 다가올 것으로 생각합니다.


4. 여러가지 소프트 로봇들의 개발이 기대되는데, 현재 진행중인 연구나 앞으로 진행할 연구가 있으시면 소개를 부탁드립니다.

- 형상기억합금을 활용하여 텍스타일 구동기를 개발하고 있습니다. 형상기억합금은 온도에 반응하여 수축-이완 움직임이 발생하며 형상기억합금을 섬유 형태로 구성하여 다양한 거동이 발생하도록 유도합니다. 또한, 박막 폴리머와 전도체를 활용한 유전탄성체를 개발하고 있습니다. 유연하고 얇은 형태의 폴리머를 사용하여 전압 조건에 따라 다양한 움직임이 발생하는 소프트 구동기를 개발하고 이를 그리퍼, 생체 모사 로봇, 햅틱 구동기 등에 적용하고자 합니다.


5. 현재 운영중이 신 소프트 메카트로닉스 연구실에 대한 소개를 부탁드립니다.(연구내용, 구성원, 비젼 등)

- 현재 연구실에서는 지능형 소재와 생산 설계 기술을 활용한 지능 구조물 개발 및 바이오 메디컬 디바이스 개발 관련 프로젝트를 수행하고 있습니다.

한국기계연구원의 나노기반 옴니텍스 제조기술 개발 프로젝트의 지원을 받아 신축성 전도체를 포함한 유연 텍스타일 구동기를 개발하고 있습니다. 형상기억합금과 같은 지능형 재료를 활용하여 다양한 구동 모드를 지닌 유연 텍스타일 구동기를 개발하고 이에 결합 가능한 신축성 전도 구조물을 통합하는 연구를 수행하고 있습니다.

선도연구센터 스마트 커뮤니티 폴리싱 시스템 개발 과제의 일환으로 비행 로봇 기능 모듈화와 시제품 제작에 참여하고 있습니다. 특히, 다기능 비행로봇을 위한 지능형 로봇 소재 개발 연구를 수행하고 있습니다.

지능 재료 개발과 관련하여, 신축성 음향 메타 물질을 활용한 흡음 기술 개발 연구를 수행하고 있습니다. 유전탄성체를 활용한 신축성 진동 막 개발 및 이의 구조 설계에 따른 음향 메타 물질 개발 및 평가를 위한 프로젝트를 수행하고 있습니다.

인공슬관절 기업 ㈜코렌텍과 공동으로 해부학적 형상이 반영된 부분치환 인공슬관절 및 외과적 정렬 지원장비 개발을 위한 프로젝트를 수행하고 있습니다. 인공 슬관절 수술 성공률을 높이기 위한 방안으로 슬관절부 형상이 반영된 정상 및 질환 무릎뼈 모델 개발 및 이를 활용한 모의수술 지원장비를 개발하고 있습니다.

더불어, 대학원 소속 고급 연구인력 지원을 위하여 노력을 기울이고 있습니다. 동국대학교 기계공학과 4단계 BK21 사업인 자율지능기계시스템 미래인재양성 교육연구팀에 소속되어 참여 대학원생 지원을 확대하고자 노력하고 있습니다. 또한, 첨단소재 기반 스마트팩토리 글로벌 인재양성사업에 참여하여 해외 우수 대학 및 연구기관과 협약을 맺고 글로벌 연구 교류 및 대학원 연구자 파견을 지원하고 있습니다.