[논문]Soft Bio-inspired 로봇 연구 동향

박용재; 조규진

문제 정의

본 글에서는 생체모사로봇의 많은 연구 분야 중에서 실제 생명체와 유사한 움직임을 구현할 수 있는 연성 메커니즘을 적용한 Soft Bio-inspired 로봇들의 특징을 살펴보고 이 메커니즘의 특징과 이를 구현하기 위한 새로운 로봇 제작 기술에 대하여 소개하고자 한다.
문어의 다리를 실리콘으로 제작하고 이를 제어함으로써 외부 환경에 적응하며 물체를 잡는 것을 보여주고 있다. 이 연구는 제어를 적게 하면서 많은 일들을 수행할 수 있는 생체모사로봇을 제작할 수 있다는 결과를 보여주고 있다.
생명체의 연성 메커니즘을 생체모사로봇에 구현하기 위하여 연성재료를 로봇의 몸체로 이용하기도 하고 강성 몸체 사이에 연성 관절을 접합하는 방법을 사용하기도 한다. 이러한 soft bio-inspired 로봇에 대한 연구를 소개하고자 한다.
앞에서 연성 재료를 이용한 로봇의 예를 설명하면서 일부 생체모사로봇이 SDM 프로세스를 이용하여 제작되었다고 언급한 바 있다. 이러한 또 다른 새로운 제조 기술인 SCM 제조기술을 이용하여 제작된 생체모사 로봇은 어떠한 것들이 있고 어떠한 특징이 있는지 살펴보고자 한다.

제안 방법

(b)는 Harvard 대학에서 제작한 로봇손인 SDM hand로써 앞에서 설명한 SDM 프로세스를 이용하여 손 부분을 제작하였다. (c)는 Yale 대학에서 제작한 SDM hand를 발전시킨 모델로서 서로 다른 강성을 가지고 있는 세 가지 플라스틱 재질을 이용하여 연성 관절과 유연한 손가락 패드, 강성 파트를 제작함으로써 다양한 물체를 손쉽게 잡을 수 있는 인공손을 제작하였다. (d)와 (e)는 시카고 대학에서 제작한 과립으로 채워져 있는 주머니를 이용한 gripper로써 물체를 잡는데 다른 로봇 손과 달리 손가락을 각각 제어하지 않고 쉽게 어떠한 모양의 물체든지 잡을 수 있다.
<그림 6>의 (a)는 버지니아 공대에서 제작한 해파리를 모사한 로봇이다. 몸의 전체 구조를 실리콘을 이용하여 제작함으로써 Robojelly의 움직임이 실제 해파리의 움직임과 그 메커니즘을 최대한 비슷하게 구현하였다. (b)는 시카고 대학에서 제작한 JSEL(Jamming Skin Enabled Locomotion)을 이용한 soft 로봇이다.
자벌레의 움직임은 일반적인 애벌레와 달리 몸을 구부려서 Ω 모양을 만들어서 전진한다. 이러한 움직임을 구현하기 위하여 복합재와 폴리머 필름을 이용하여 몸체를 만들고 이를 형상기억합금 스프링으로 구동함으로써 자벌레 모사 로봇을 제작하였다. 본 로봇의 몸체는 여러 부분의 조립체가 아니라 전체적으로 하나의 부품이라 할 수 있다.
이 원리에 착안하여 탄소섬유를 이용한 복합재가 두 가지 상을 가질 수 있도록 제작하여 파리지옥의 빠른 움직임을 구현하였다. 이와 같이 얇은 재질의 물질을 새의 날개, 물고기의 지느러미, 식물의 잎을 모사하는 구조에 적용함으로써 연성 메커니즘을 구현하였다.
과립으로 채워진 부분과 채워지지 않은 부분의 차이로 인하여 전체 로봇의 모양이 변하고 이로 인하여 굴러가는 움직임이 생성되는 구조를 가진 것이 특징이다. 전체 로봇의 모양을 변화시키기 위하여 실리콘을 이용하여 제작하였다. 이 구조 또한 앞의 Robojelly의 경우와 마찬가지로 연성 재료인 실리콘을 사용함으로써 이 유연성으로 로봇의 실제 움직임을 결정하게 된다.

성능/효과

(d)는 본 연구실에서 진행한 꼬리지느러미의 강성에 따른 로봇 물고기 추력 변화에 대한 실험 결과이다. 꼬리지느러미가 움직이는 주파수에 따라 최대 추력이 나타나는 강성이 정해지며, 일반적으로 적당히 유연한 꼬리지느러미가 강성이 큰 지느러미나 낮은 지느러미보다 높은 추력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. (e)도 마찬가지로 본 연구실에서 진행한 연구의 결과인 파리지옥의 움직임을 모사한 로봇이다.
다른 생체모사로봇과 달리 이 로봇이 날 수 있는 이유는 SCM 프로세스를 적용하여 로봇의 크기와 무게를 줄였을 뿐만 아니라 연성 관절을 이용하여 transmission 장치를 제작할 수 있었기 때문이다. 따라서 MFI 로봇의 날갯짓이 다른 메커니즘이나 액추에이터를 추가하지 않고도 실제 파리의 날갯짓과 비슷하게 구현될 수 있었다. (b)는 UC Berkeley에서 제작한 것으로 기존에 SCM 프로세스로 제작된 DASH라는 이름의 로봇에 날개를 부착하여 뛰는 것을 보조하는 생체모사 로봇이다.
(e)는 MIT에서 제작한 SDM 프로세스를 이용한 로봇 물고기로써 기존의 로봇 물고기들과 달리 몸체 중간부터 꼬리까지가 모터가 당기는 tendon에 의해 구부러지며 추력을 발생하는 원리로 설계되었다. 이 또한 실리콘을 사용함으로써 몸체의 구부러지는 움직임을 구현하였고, 이를 통하여 보다 자연스러운 물고기 움직임을 모사할 수 있었다. (e)는 Italian Institute of Technology에서 제작한 문어를 모사한 로봇이다.
(c)의 경우 Drexel 대학에서 제작한 로봇물고기이다. 이 로봇 물고기는 꼬리지느러미, 등지느러미, 가슴지느러미 등을 신축성이 좋은 폴리에스테르로 제작하여 지느러미의 유연성을 증가시켰다. (d)는 본 연구실에서 진행한 꼬리지느러미의 강성에 따른 로봇 물고기 추력 변화에 대한 실험 결과이다.
파리지옥은 잎의 모양이 두 가지 안정한상을 갖고 상 전이는 snap-through를 통하여 매우 빠르게 이루어지는 특징을 가지고 있다. 이 원리에 착안하여 탄소섬유를 이용한 복합재가 두 가지 상을 가질 수 있도록 제작하여 파리지옥의 빠른 움직임을 구현하였다. 이와 같이 얇은 재질의 물질을 새의 날개, 물고기의 지느러미, 식물의 잎을 모사하는 구조에 적용함으로써 연성 메커니즘을 구현하였다.
이 Gripper는 기존에 기계 설계에서 피해야하는 현상인 좌굴(Buckling) 현상을 이용하여 많은 수의 발톱을 환경에 맞게 적응하여 배치될수 있도록 하였다. 이러한 연성 메커니즘의 적용으로 gripper 가 물체를 잡을 수 있는 확률이 증가할 수 있으며, 보다 안정적인 성능을 가질 수 있도록 설계할 수 있었다. (f)는 벼룩이 뛰는 원리를 분석하고 이를 로봇에 적용한 생체모사로봇이다.

후속연구

생체모사로봇의 연구는 여러 방면에서 다양한 시도가 진행되고 있다. 그 중에서 연성 메커니즘을 통한 soft bio-inspired 로봇 연구는 향후 로봇의 성능과 효율을 상승시킬 뿐만 아니라 실제 생물체와 비슷한 로봇을 제작할 경우에도큰 역할을 할 것으로 사료된다. 생체모사로봇 연구의 미래는 이러한 연성 메커니즘을 어떻게 보다 로봇에 잘 구현하는가와 이를 구현하기 위한 기술의 발전에 달려있다고 해도 과언이 아니다.
(f)는 벼룩이 뛰는 원리를 분석하고 이를 로봇에 적용한 생체모사로봇이다. 기존의 점핑 로봇들이 모터와 캠, 스프링 등을 이용하여 수백 년 전 레오나르도 다빈치에 의해 제안되었던 래치 메커니즘을 사용하거나 그 변형 메커니즘을 사용하여 제작되었으나, 이 로봇은 실제 벼룩이 뛰는 원리를 연성 관절과 형상기억합금 스프링을 이용하여 구현하였으며, 이를 이용하면 작은 스케일에서 적용할 수 있는 설계가 가능해 진다. 현재 2 cm인 로봇은 자기몸체 크기의 최대 32배인 64 cm까지 도약을 할 수 있다.
그러나 이러한 연성 메커니즘을 이용한 구조는 그자체가 유연하기 때문에 모델링하기가 어렵고 액추에이터를 이용하여 정확하게 제어하기가 어려운 문제가 있다. 더 나아가 소형 생체모사로봇을 제작하려면 연성 메커니즘을 적용해야하는 것이 반드시 필요하며, 이를 구동할 수 있는 인공근육과 같은 새로운 액추에이터의 개발도 또한 병행되어야 할 것이다. 또 다른 측면으로는 이러한 메커니즘을 대량으로 생산할 수 있는 생산기술에 대한 연구도 병행되어야 새로운 연성 메커니즘을 적용한 Soft bio-inspired 로봇이 넓은 분야에서 사용될 수 있을 것이다.
더 나아가 소형 생체모사로봇을 제작하려면 연성 메커니즘을 적용해야하는 것이 반드시 필요하며, 이를 구동할 수 있는 인공근육과 같은 새로운 액추에이터의 개발도 또한 병행되어야 할 것이다. 또 다른 측면으로는 이러한 메커니즘을 대량으로 생산할 수 있는 생산기술에 대한 연구도 병행되어야 새로운 연성 메커니즘을 적용한 Soft bio-inspired 로봇이 넓은 분야에서 사용될 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SDM 프로세스를 이용한 생체모사로봇으로는 무엇이 있는가?	SDM 프로세스를 이용한 생체모사로봇으로는 Stanford 대학에서 만든 빠른 바퀴벌레의 움직임을 모사한 iSprawl과 게코 도마뱀이 매끄러운 벽면을 올라가는 움직임을 구현한 Stickybot, Harvard 대학에서 구현한 로봇 손인 SDM hand 등이 있다.
	SCM 제조기술이란 무엇인가?	SCM 제조기술은 마이크로 레이저를 이용하여 폴리머 필름과 같은 유연한 재료와 복합재와 같은 단단한 재료를 원하는 모양으로 절단하고 이들을 적층하여 일부는 단단하고 일부는 유연한 단일 구조를 만드는 것을 말한다. 이 프로세스는 일반적으로 기존의 제작 방식으로 제작할 경우에 마찰력이 크게 증가하거나 제작이 어려운 경우에 사용되고 있다.
	생체모사로봇의 몸체 자체를 연성 재질을 이용하여 제작하면 어떤 장점이 있는가?	구동하는 면을 연성 재료로 구성하는 경우와 달리 생체모사로봇을 제작함에 있어서 몸체 자체를 실리콘과 같은 연성 재질을 이용하여 제작함으로써 연성 메커니즘을 구현하는 방법도 있다. 연성 재료를 사용하여 몸체를 제작함으로써 생체 모사로봇 전체를 시스템적으로 유연하고 효율적인 움직임을 구현할 수 있는 구조로 만들 수 있으며, 외부환경에 대한 적응력을 보다 높일 수 있는 장점 가질 수 있게 한다.

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