고대 종이 접기와 현대 재료 과학을 결합한 소프트 로봇

소프트 로봇을 제어하는 것은 조향 메커니즘이 강성을 추가하여 유연성을 저하시키는 경향이 있기 때문에 어려운 과제이다.

프린스턴 주립대학과 노스캐롤라이나 주립대학의 엔지니어들은 미로 주위를 쉽게 구부리고 비틀 수 있는 소프트 로봇을 개발하여 상당한 발전을 이루었다.

이 프로젝트를 통해 연구자들은 고대 종이 접기와 현대 재료 과학을 결합했다. 이 디자인은 조종 시스템을 로봇 본체에 직접 통합하여 다양성을 향상시킨다.

팀의 연구 세부 내용은 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Science) 저널에 게재되었다.

유연한 모듈형 로봇

연구원들은 모듈형 실린더 세그먼트를 사용하여 로봇을 만들었다. 확장된 유닛을 형성하기 위해 독립적으로 작동하거나 통합할 수 있는 각 세그먼트는 로봇의 이동성과 조향 기능을 전체적으로 향상시킨다. 이 새로운 시스템을 사용하면 유연한 로봇이 앞뒤로 탐색하고, 화물을 조작하고, 길쭉한 구성으로 조립할 수 있다.

연구진은 “모듈형 소프트 로봇의 개념은 성장, 수리, 새로운 기능 개발이 가능한 미래 소프트 로봇에 대한 통찰력을 제공할 수 있다”고 말했다. 이동 중에 조립하고 분리할 수 있는 능력 덕분에 이 장치는 단일 로봇 또는 떼로 작동할 수 있다.

“각 세그먼트는 개별 단위가 될 수 있다. 프린스턴 재료 연구소의 박사후 연구원인 튜오 자오(Tuo Zhao)는 "그들은 서로 통신하고 명령에 따라 조립할 수 있다."라고 말했다.

"쉽게 분리할 수 있고 자석을 사용하여 연결한다."

이 연구소의 동료인 자오와 글라우치오 파울리노(Glaucio Paulino)는 건축, 항공우주, 의료 장비 등 다양한 목적으로 공학 분야에서 종이접기를 활용한 일련의 작품을 제작했다.

파울리노는 "우리는 구부릴 수 있고 적응성이 뛰어난 히터를 사용하여 전열 작동을 통해 구현되는 생체 영감을 받은 플러그 앤 플레이의 부드러운 모듈식 종이 접기 로봇을 만들었다."라고 말했다.

"이것은 필요에 따라 성장하고, 치유하고, 적응할 수 있는 로봇으로의 전환 가능성이 있는 매우 유망한 기술이다."

종이접기에서 영감을 받은 로봇공학

이 경우, 연구원들은 크레슬링 패턴으로 알려진 종이접기 모양이 있는 원통형 조각을 사용하여 로봇을 조립하는 것으로 시작했다. 패턴 덕분에 각 세그먼트는 편평한 디스크로 비틀어졌다가 다시 원통형으로 확장될 수 있다.

이러한 비틀림과 팽창 동작을 통해 로봇은 기어가고 방향을 바꿀 수 있다. 연구원들은 실린더 섹션을 부분적으로 접어 로봇 세그먼트에 측면 굽힘을 도입할 수 있다. 로봇은 약간의 굴곡을 추가하여 앞으로 이동하고 방향을 변경한다.

노스캐롤라이나 주립대학교 연구원들은 새로운 솔루션을 사용해 로봇의 굽힘 및 접힘 동작을 제어하는 과제를 해결했다. 그들은 가열 시 차등 팽창을 나타내는 두 가지 재료인 액정 엘라스토머와 폴리이미드의 조합을 활용했다. 이 재료들은 크레슬링 패턴의 주름을 따라 얇은 스트립으로 통합되었다.

또한 각 접힌 부분에는 은나노와이어 네트워크로 구성된 얇고 신축성이 있는 히터가 장착되어 있다. 제어 스트립을 가열하기 위해 나노와이어 히터에 전류를 인가했다. 이로 인해 재료 간의 차등적 팽창이 발생하고 정밀한 접힘과 굽힘이 유도되어 로봇의 구동 및 조향을 제어할 수 있게 되었다.

“이 작업에서 우리는 종이접기 패턴을 작동시키기 위해 국지적이고 날카로운 접기를 달성했다. 이 효과적인 작동 방법은 일반적으로 소프트 로봇공학을 위한 종이접기 구조(주름이 있는)에 적용될 수 있다.”라고 이 프로젝트에 참여한 박사후 연구원인 슈앙 우(Shuang Wu)는 말했다.

연구원들은 현재 로봇 설계에 속도 제한이 있음을 인정한다. 그들은 향후 반복에서 운동 능력을 향상시키는 데 초점을 맞추는 것을 목표로 하고 있다.

자오는 연구팀이 속도와 조향을 모두 향상시키기 위해 다양한 모양, 패턴 및 불안정성 수준을 탐구할 계획이라고 강조한다.

이미지 출처: Frank Wojciechowski/Princeton University