마리오 게임을 하는 손과 같은 최근 사이언스 어드밴스(Science Advances) 논문에 설명된 거북이 모양의 "소프트 로봇" 두 개가 각각 3~8시간 밖에 걸리지 않는 단일 프로세스에서 3D 프린팅 되었다. 공저자인 메릴랜드 대학의 기계 공학 조교수인 Ryan Sochol은 "이 논문의 모든 로봇은 100% 조립이 필요하지 않은 프린팅 방식이었다.”고 말한다.  

원스텝 생산은 연구원들이 점점 더 복잡해지는 소프트 로봇을 개발하는 것을 더 쉽게 만들 것이다. 이 봇의 뽀송뽀송한 메이크업은 더 단단한 기계가 일으킬 수 있는 손상 없이 인체의 조직과 같은 섬세한 재료와 상호 작용할 수 있다. 따라서 수술이나 수색 및 구조 수행, 과일 또는 기타 쉽게 손상되는 품목 분류와 같은 작업에 적합한 후보이다. 그러나 지금까지 대부분의 이러한 봇에는 최소한 일부 견고한 구성 요소가 포함되어 있다.

2016년이 되어서야 연구원들이 유연한 재료로 완전히 하나를 만들었다. 문어와 같은 부드러운 로봇을 작동시키기 위해 제작자는 단단한 전자 회로를 버리고 미세 유체 회로를 만들어야 했다. 이러한 회로에서 물이나 공기는 마이크로 채널을 통해 이동한다. 그 흐름은 트랜지스터 및 다이오드와 같은 전자 부품에 대한 유체 기반 유사체에 의해 수정된다.

새로운 연구에서 연구원들은 이 기술의 개발을 가속화했다. 2016년 논문을 공동 집필했지만 메릴랜드 대학의 프로젝트에는 참여하지 않은 하버드 대학 공학 교수 제니퍼 루이스는 "그들은 훨씬 더 복잡한 미세유체 회로를 도입했다"고 말했다. 예를 들어, 마리오 게임을 하는 손에서 회로는 단일 유체 소스가 다른 신호를 보내 각 손가락이 단순히 입력 압력을 변경하여 독립적으로 움직이도록 지시한다.

프린팅하기

그러나 소프트 로봇을 더 정교하게 만들 때 유체 회로는 기계를 제조하고 조립하기 더 어렵게 만든다. 이것이 바로 Sochol이 한 번에 프린팅하는 것에 매우 흥분하는 이유이다. "모든 통합 유체 회로와 본체 기능 및 소프트 액추에이터[움직이는 부품]가 모두 프린팅된 전체 소프트 로봇을 갖는 것은 한 번도 수행된 적이 없다."고 그는 말한다.

그와 그의 동료들은 액체 층을 내려놓는 유형인 PolyJet 3-D 프린터를 사용하여 이를 빛에 노출시켜 응고시킨 다음 다음 층을 추가했다. StrataSys라는 회사에서 제조한 그들이 사용하는 모델은 세 가지 유형의 재료를 생산할 수 있었다. 부드러운 고무 같은 물질, 더 단단한 플라스틱 같은 물질, 그리고 프린팅하는 동안 스캐폴딩 역할을 하지만 나중에 최종 제품 프린터에서 제거해야 하는 수용성 "희생 물질"이다.

이러한 하이테크 프린터는 수만 달러에 구입할 수 있지만 Sochol의 팀은 프린터를 구입할 필요가 없었다. "우리는 이를 위해 캠퍼스에서 서비스를 사용한다."고 그는 말한다. "그래서 우리는 그들에게 파일을 보냈고 그들은 그것을 인쇄했고 우리는 그것을 가져갔다." Sochol은 그의 팀이 개발 사이트 GitHub에서 공개 액세스 소프트웨어로 공유한 이러한 디자인 중 하나를 프린팅 하려는 다른 사람이 약 $100 이하의 비용으로 유사한 3D 프린팅 서비스를 사용할 수 있다고 추정한다.

Sochol은 이 프로세스가 클린룸에서 미세유체 회로를 제작하고 별도로 로봇을 만든 다음 나중에 결합하는 것보다 빠르고 저렴하며 쉽다고 주장한다. Lewis는 전적으로 동의하지 않는다. “우아함이 있다. 그게 더 빠르고, 더 싸고, 꼭 필요한지는 잘 모르겠다.”라고 그녀는 말한다. “그러나 한 가지 방법으로 회로를 만든 다음 우리처럼 성형 및 3D 프린팅 로봇에 삽입해야 하는 번거로운 특성이 있다. 그리고 [Sochol과 그의 동료들이] 선택한 방법은 … 서로 다른 강성을 가진 여러 재료를 프린팅할 수 있다는 점에서 많은 장점이 있다고 말하고 싶다.” Lewis는 또한 새로운 소프트 봇이 프린팅 직후에 작동할 준비가 되지 않았다고 지적한다. "그들의 방법 중 한 가지 번거로운 부분은 모든 희생 물질을 제거해야 한다는 것이다."라고 그녀는 말한다. "그리고 그것이 몸의 외부에있을 때, 지지와 마찬가지로 괜찮다. 하지만 모든 내부 채널에도 존재한다."

나야, 마리오!

프린팅된 로봇을 청소한 후 Sochol의 팀은 성능 테스트를 설계해야 했다. 예를 들어 이전 연구에서는 로봇 손가락이 피아노 곡을 연주하도록 프로그래밍했지만 Sochol의 팀은 그 작업이 너무 쉽다고 생각했다. “그것으로 우리는 템포를 임의로 설정할 수 있다고 그는 말한다. "로봇이 메모나 그와 유사한 것을 놓치면 의미 있는 벌칙이 없다." 비디오 게임은 조금 더 타협하지 않는 것처럼 보였다. "실수하면 적시에 버튼을 누르지 않거나 적시에 버튼을 놓지 않으면 적과 마주칠 수 있고 구덩이에 떨어질 수 있으며 즉시 게임이 종료된다.”라고 Sochol은 말한다.

연구원들은 세 손가락 로봇 손을 Nintendo 컨트롤러에 놓고 각 손가락을 다른 버튼이나 방향 패드에 올려 놓았다. 다른 압력에서 제어 라인을 통해 유체를 공급함으로써 각 손가락이 반응하도록 할 수 있다. "저압의 경우 회로는 이에 응답하고 마리오가 앞으로 나아가도록 하는 버튼만 누를 수 있다."라고 Sochol은 설명한다. "그런 다음 중간 정도의 압력으로 두 번째 손가락이 버튼을 누르기 시작하고 이제 마리오가 달릴 수 있다. 그리고 압력이 높으면 세 손가락이 모두 각각의 버튼을 누르고 마리오가 점프한다."

팀은 압력을 자동으로 변경하여 손가락이 정해진 패턴으로 움직이도록 하는 컴퓨터 프로그램을 작성했다. 사람들이 수십 년 동안 슈퍼 마리오 형제를 플레이해 왔기 때문에 팀은 게임의 첫 번째 레벨에서 승리하기 위해 손이 어떤 버튼을 눌러야 하는지 정확히 알고 있었다. 소리보다 어려운 정확한 타이밍으로 사전 프로그래밍된 목록을 실행해야 했다. Sochol은 "단순히 버튼을 누르는 것이 아니라 버튼을 멈춘 다음 다시 누르도록 하는 것이 어려웠다. 마리오가 달리면서 점프했다가 다시 매우 빠르게 점프해야 하는 경우가 많기 때문이다."라고 말한다.

"마리오 부분은 귀엽고 확실히 주목을 끌 것이다."라고 루이스는 말한다. “하지만 이 논문에서 정말 강력한 것은 복합재료 3D 프린팅, 즉 이 모든 복잡한 유체 회로를 한 팹 단계로 통합할 수 있는 능력이라고 생각한다. [연구원들이] 한 일에 대해 정말 좋아할 것이 많다.”

비디오 게임에서 이기는 것은 완전히 프린팅 된 로봇 손이 변화하는 입력에 신속하고 정확하게 반응할 수 있다는 것을 보여주었다. 잘 알려진 모든 비디오 게임이 이 점을 지적할 수 있었지만 마리오는 많은 플레이어의 마음에 특별한 위치를 차지하고 있다. "우리는 이것이 기본 게임이라고 느꼈다."라고 Sochol은 말한다. "내가 4~5살 때 닌텐도 시스템을 갖게 되었을 때 제가 처음으로 플레이한 게임이었다."