3D 프린팅으로 만든 꽃병은 사람의 손가락 터치로 변형됐다.
미래 세대의 로봇은 오늘날 공장 현장에서 번개 같은 속도로 자동차 전체를 조립하거나 전자 제품을 회로 기판에 납땜하는 것과는 매우 다르게 작동하게 된다. 그들은 공장 홀을 떠나 사람들과 함께 일하기 시작하여 적절한 순간에 도구를 건네 주거나 무거운 부품을 조립하는 것을 돕는다. 그들은 농업에 나타나 밭을 수확하거나 과일을 가공하는 것을 돕는다. 그리고 그들은 거실에서 점점 더 많이 발견되어 그곳에서 사람들을 지원하고 즐겁게 하거나 단순히 그들이 덜 외롭다고 느끼게 만들 것이다.
물론 이 로봇은 오늘날의 산업 공장에서 볼 수 있는 거대한 금속 장치와도 다르게 보이게 된다. 그들의 모습은 새로운 기능과 함께 변하게 된다. 사람들과 접촉할 때마다 부드러워서 아무도 다치지 않는다. 여기서 "부드러움"은 실제로 그들이 적합한 재료로 만들어졌다는 것을 의미한다. 그들의 표면은 탄력 있고 유연하며 신축성이 있다. 물론 동시에 적절하게 대응할 수 있도록 모든 터치와 모든 접근을 즉시 등록하는 포괄적인 센서 기술을 갖추고 있다. 오늘날 이러한 소프트 전자공학 및 로봇 공학의 개발은 실리콘 엘라스토머와 같은 합성 재료에 주로 의존한다. 실리콘 엘라스토머는 탄성 특성이 매우 우수하지만 화석에서 유래한 고무이다. 이는 또한 오늘날 스마트폰과 같이 미래에도 소프트 로봇이 편재하게 된다면 기술 낭비가 다시 한 번 크게 증가한다는 의미이기도 하다. 이것은 다음과 같은 질문을 제기한다. 생분해성 대안은 어디에 있을까? 그리고 그들이 존재한다면 어떻게 환경을 움직이고 감지하고 반응하는 진정으로 권한을 부여하는 로봇을 만들 수 있을까?
오스트리아 린츠에 있는 요하네스 케플러 대학의 연질 재료 연구소 소장인 Martin Kaltenbrunner는 우리의 미래 기술을 위한 지속 가능한 대안을 조사하고 있다. 그의 팀은 인체를 연결하여 똑같이 부드럽고 순응하는 기술에 중점을 둔다. 웨어러블 전자 장치, 신축성 있는 에너지 공급 장치 및 생체 모방 로봇이 몇 가지 예이다. 그리고 지속 가능성을 해결함으로써 그의 팀은 이러한 소프트 기술에 새로운 트위스트를 추가한다.
과학적인 돌파구는 2020년에 Kaltenbrunner와 그의 팀이 생분해성 겔(바이오겔)을 매우 탄력 있고 내구성 있게 만들 수 있는 검소한 방법을 발견했을 때 달성되었지만 폐기되면 여전히 사라지게 된다. 풍부한 생체 고분자 젤라틴을 기반으로 하는 이 소재는 비분해성 실리콘 고무와 유사한 특성과 성능을 나타내어 소프트 로봇에 사용할 수 있는 기반을 마련했다.
이제 박사 과정 학생인 Andreas Heiden과 David Preninger는 이 바이오겔을 복잡한 모양으로 3D 프린팅하는 시스템을 구축했다. 그들은 복잡한 센서 네트워크를 사용하여 자신의 변형과 주변 물체를 감지하는 손가락 모양의 로봇을 프린팅했다. EPFL의 재료 엔지니어인 Florian Hartmann과 함께 그들은 저명한 저널인 Science Robotics에 연구를 발표했다.
영감의 원천으로서의 자연
소프트 로보틱스는 영감의 원천으로서 자연으로부터 큰 이점을 얻으며 로봇 기기와 생물체 간의 안전한 상호 작용을 위한 타고난 수단을 도입한다. Kaltenbrunner는 부드러운 로봇 공학이 대부분 자연에서 영감을 받았음에도 불구하고 자연 창조물의 고유한 "기능"인 생분해성이 빠져 있다는 것을 곧 깨달았다. 소프트 로봇의 수명이 다하면 구성 요소를 재활용하거나 환경 친화적인 방식으로 폐기물을 처리할 수 있는 간단한 솔루션이 없는 경우가 많다.
소프트 로봇에 생분해성 소재를 도입하는 것이 논리적인 해법으로 보이지만 기존 소재는 내구성이 떨어지거나 가공이 어려웠다. Kaltenbrunner와 그의 팀은 생체 고분자 젤라틴을 기반으로 한 겔과 같은 생체 유래 재료를 엔지니어링하기 위해 노력했다. 이 재료는 기존 합성 엘라스토머의 성능과 일치하지만 의도한 사용 후에 완전히 분해되어 본질적으로 존재의 흔적을 남기지 않는다. 약 2년 전 네이처 머티리얼즈(Nature Materials) 저널에 발표된 그들은 피부 전자공학과 소프트 로봇에 사용하도록 이러한 젤을 최적화했다. 내구성이 있는 분해 가능한 빌딩 블록과 같은 자연 발생 재료를 기반으로 하는 이는 탄력적이지만 지속 가능한(부드러운) 로봇의 까다로운 요구 사항을 단일 플랫폼에 통합하는 광범위하게 적용 가능한 젤라틴 기반 바이오겔이다. 신축성과 신축성이 뛰어나며 열가소성이다. 가열하면 재료가 녹고 3D 프린팅에 완벽하게 적합한 속성이다.
3D 프린팅을 통한 복잡한 형상
소프트 로봇의 변형 가능한 구조는 제조 및 조립에 어려움이 있다. 개별 부품에서 나사로 결합되는 기존 로봇과 달리 소프트 로봇은 모놀리식 블록으로 제조된다. 이를 위해 3D 프린팅은 복잡한 물체도 생산할 수 있는 다목적 제조 전략이다. Heiden과 Preninger는 바이오겔을 프린팅하기 위해 FDM(Fused Deposition Modeling)을 기반으로 하는 맞춤형 시스템을 설계했다. FDM은 오늘날 가장 일반적인 3d 프린팅 방법 중 하나이며 냉각되면 다시 고체가 되는 용융된 폴리머를 융합하는 것을 기반으로 한다. 바이오겔 프린팅을 위해 재료를 의료용 주사기에서 녹이고 팁을 통해 압착하면 압출 후 빠르게 응고되는 바이오겔 "실"이 침착된다. 이러한 방식으로 여러 개의 2차원 레이어가 연속적으로 그려지고 서로 겹쳐져 3차원 개체를 형성한다.
젤라틴 기반 바이오겔 잉크로 프린팅된 XYZ 보정 큐브 및 거미베어 모델.
그러나 프린팅에 실패하면 어떻게 될까? 일반적으로 인쇄물을 버리고 다시 시작한다. 생분해성 솔루션을 사용하면 폐기물 생성에 대해 걱정할 필요조차 없다. 생분해성 재료를 사용하는 이 친환경적인 제조 방식과 함께 초기 성능 지표의 70% 이상을 유지하면서 바이오겔을 최대 5회 재프린팅하는 추가 재사용 주기를 도입했다. 순환 경제를 위해 이러한 접근 방식을 활용하면 덜 분해되는 재료에 대해 보다 지속 가능한 솔루션을 사용할 수 있다.
인식 기능이 있는 전방향 액추에이터
생분해성 젤의 제조를 3D 프린팅으로 확장함으로써 연구원들은 다양한 복잡한 모양의 다목적 소프트 액추에이터를 생산할 수 있었고 심지어 환경과 상호 작용할 수 있도록 통합 센서 네트워크를 포함할 수 있었다. Science 로봇 공학 간행물에서 그들은 압축 공기로 구동되고 코끼리 몸통이나 문어 촉수처럼 어떤 방향으로든 구부릴 수 있는 손가락과 같은 액추에이터를 시연했다. 액추에이터 내 3개의 팽창식 챔버와 면직물 보강재의 조합으로 이러한 움직임이 가능하다.
센서 네트워크가 통합된 완전 작동식 3챔버 액추에이터는 사람의 손가락 터치를 감지한다.
또한, 액추에이터는 투명 재료를 통한 광 전달을 기반으로 하는 분산 센서 네트워크를 특징으로한다. 이 센서는 액추에이터 자체의 굽힘 상태와 주변 물체와의 충격에 대한 정보를 수집한다. 이 로봇은 눈이 없어도 장애물을 감지하고 주변에서 제거할 수 있다. 이 단일 로봇 요소의 기능은 성능에 대한 큰 타협 없이 지속 가능한 재료 및 제조 솔루션으로 모션과 감지를 모두 달성할 수 있음을 보여준다. 그리고 더 이상 사용하지 않으면 간단히 폐기할 수 있다. 물에 담그면 바이오겔이 팽창하고 용해되며 효소가 있는 경우 완전히 분해된다.
