로봇공학의 미래를 여는 소프트 로봇
글/브랜든 루이스(Brandon Lewis), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
소프트 로봇공학(soft robotics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 소프트 로봇은 강철과 흑연을 사용하는 대신 실리콘이나 고무, 젤과 같은 부드러운 재료로 제작된 유연한 로봇을 포괄하며, 통상적인 로봇에서는 거의 불가능한 동작과 스타일이 가능하다. 소프트 로봇은 독특하게 움직이고 행동하기 때문에 충돌 저항성이 향상되고 복잡한 동작을 수행할 수 있는 능력이 증가되는 등 강철로 만들어진 기존 로봇에 비해 여러 가지 이점이 있다.
이 글에서는 소프트 로봇이 어떻게 등장하게 되었는지 알아보고 소프트 로봇의 장점과 몇 가지 단점, 그리고 현재 연구 중인 새로운 응용 분야를 살펴본다.
소프트 로봇의 역사
소프트 로봇공학이 최초로 실제 적용된 것은 1950년에 개발된 맥키번(McKibben) 인공 근육에서였다.[1] 맥키번 공압 근육(McKibben air muscle)이라고도 하는 이 장치는 유연한 공압 튜브로 구성되었으며 외부는 그물망으로 감싸져 있다[2]. 애초에 이 공압 근육은 보조 용도로 개발되었지만, 개발 후에는 여러 로봇 설계에 사용되어 왔다. 또한 맥키번 근육은 현대 소프트 로봇의 토대를 마련한 여러 기술에 영감을 주었다.
이후 수십 년에 걸쳐 촉수와 코끼리 코를 본뜬 조작 장치, 전기변형 고분자와 유압 액추에이터로 구성된 인공 근육을 포함하여 다양한 신기술과 혁신이 이루어지다가, 마침내 21세기에 더욱 정교하게 발전하게 된다.
소프트 로봇의 구성 및 제작 과정
일반적으로 소프트 로봇은 유체, 탄성체 또는 젤과 같은 유연한 물질로 구성되며 컴플라이언스 매칭(compliance matching)이라는 프로세스를 사용하여 하중을 균일하게 분산하고 응력을 최소화한다. 소프트 로봇을 구동하는 데에는 다음의 시스템 중 한 가지 이상을 사용할 수 있다[3].
• 압축 공기
• 오일 또는 물과 같은 유체
• 열가소성 소재
• 전극, 절연 폴리머, 전도성 폴리머의 조합
• 자기장
• 빛에 노출되면 형태가 변하는 소재[4]
‘소프트 리소그래피 몰딩(soft lithographic molding)’이라고 하는, 소프트 로봇을 제작하고 제조하는 가장 일반적인 공정은 다음 단계로 구성된다.
1. 내부 구성요소 제조. 일반적으로 3D 프린팅 또는 주조(casting)를 통해 수행된다.
2. 특수 제작된 몰드에 실리콘, 고무 또는 이와 유사한 재료를 주조 및 경화하여 원하는 폼 팩터대로 로봇의 유연한 외부 레이어를 모델링한다.
3. 경화되지 않은 탄성체를 통해 서로 다른 레이어를 결합한다. 재경화 후 완성된 액추에이터를 몰드에서 제거한다.
유연함이 제공하는 강점과 약점
소프트 로봇은 기존의 딱딱한 로봇에 비해 많은 강점을 갖고 있지만, 약점이 없는 것은 아니며 모든 애플리케이션에 적합한 것도 아니다[5]. 표 1은 소프트 로봇의 장점과 단점을 비교한 것이다.
[표 1] 소프트 로봇의 강점과 약점 (출처: Soft Gripping)[6]
소프트 로봇의 응용 분야
소프트 로봇의 잠재적 활용 사례는 놀라울 정도로 다양하며, 새로운 애플리케이션이 끊임없이 모색되고 있다. 예를 들어 의료 분야에서는 소프트 로봇을 다음과 같은 용도로 활용할 수 있다.
• 복잡한 동작과 터치 감지가 가능한 복잡한 소프트 보철물
• 운동 기능이 제한된 환자를 위한 소프트 엑소수트(soft exosuit)
• 웨어러블 재활 장치
• 정교하고 절개를 최소로 하는 수술 절차
• 약물 공급
• 암과 같은 질병의 표적 치료
• 대체 근육 및 장기
• 거동이 불편한 환자와 노인을 위한 로봇 보조기
소프트 로봇 기술의 잠재적 응용 분야는 의료 분야 외에도 많다. 응급 구조대원과 산업 근로자에게 하버드대 비스 연구소(Wyss Institute)의 엑소수트[7]와 같은 소프트 엑소수트는 추가적인 힘과 보호 기능을 제공할 수 있다. 또한 소프트 로봇은 사람이 접근하기에 너무 좁은 공간에도 투입되어 탐색할 수 있기 때문에 수색과 구조 상황에서 매우 유용하게 활용될 수 있다[8].
성장[9]과 자가 복구[10]가 가능한 소프트 로봇은 진화 생물학, 생태계 복원, 건축, 농작물 관리, 심지어 먼 행성의 테라포밍(terraforming)에 대한 과학적 연구에 사용될 수 있다. 이 밖에 소프트 로봇의 다른 잠재적 응용 분야로는 자율 건축, 교육, 개인 지원 등이 있다.
소프트 로봇의 미래
소프트 로봇의 단기적인 개발은 대부분 지능, 효율, 유연성을 포함한다[11]. 인공지능(AI)은 더욱 정교해지면서 이미 인간의 지능을 따라잡고 있다. 효율과 유연성의 경우 잠재적인 방안에는 전자 부품 제거, 더 효율적인 에너지 저장 및 발전, 생물학적 유기체의 수명 주기를 모방한 로봇 개발 등이 포함될 수 있다.
대부분의 사람들은 기계를 생각할 때 딱딱한 강철과 단단한 부품을 떠올리겠지만, 유기체나 식물은 떠올리지 않는다. 하지만 이들은 그 자체로 완벽한 기계이므로 소프트 로봇이 이를 모방하려고 시도하는 것은 너무나 당연하다. 소프트 로봇이 더욱 발전함에 따라 더 진짜 같아지고 유기체와 구별할 수 없게 될 것이라고 가정하는 것은 합리적이다.
이러한 유연한 로봇이 기술과 함께 진화하면서 점점 더 실제와 같아짐에 따라 유기체와의 원활한 통합은 로봇공학 분야에 전망이 밝은 새로운 활용 사례와 애플리케이션을 탄생시킬 것이다.
[참고문헌]
[1] Falk Tauber et al., “Perspectives for soft robotics: the field’s past and future,” Bioinspiration & Biomimetics, 18 (2023), https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-3190/acbb48/pdf.
[2] Ellen Roche, “Pneumatic Artificial Muscles,” Soft Robotics Toolkit, https://softroboticstoolkit.com/book/pneumatic-artificial-muscles.
[3] Ravi Rao, “Powering Soft Robotics: A Deeper Look at Soft Robotics Actuators,” Wevolver, March 13, 2023, https://www.wevolver.com/article/powering-soft-robotics-a-deeper-look-at-soft-robotics-actuators.
[4] Wilfried Sire and Guilhem Velv? Casquillas, “Soft Robot: A Review,” Elveflow, https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/soft-robot/.
[5] Nora Bradford, “Soft Robots Take Steps toward Independence,” Scientific American, March 1, 2023, https://www.scientificamerican.com/article/soft-robots-take-steps-toward-independence/.
[6] Alexey Stepanyuk, “Soft Robotics vs. Hard Robotics - Comparative Insights and Analysis,” Soft Gripping, https://soft-gripping.com/discover/soft-robotics-vs-hard-robotics/.
[7] Conor Walsh, “Soft Exosuits for Lower Extremity Mobility,” Wyss Institute, https://wyss.harvard.edu/technology/soft-exosuits-for-lower-extremity-mobility/.
[8] Kyle Maxey, “A Growing Soft Robot to the Rescue,” Engineering.com, July 27, 2017, https://www.engineering.com/story/a-growing-soft-robot-to-the-rescue.
[9] Dario Floreano and Nicola Nosengo, “The Plant-Inspired Robots That Could Colonize Mars,” The MIT Press, https://thereader.mitpress.mit.edu/the-plant-inspired-robots-that-could-colonize-mars/.
[10] Scarlett Evans, “Self-Healing Robot Unveiled,” IOT World Today, December 15, 2022, https://www.iotworldtoday.com/robotics/self-healing-robot-unveiled-.
[11] Falk J. Tauber and Viacheslav Slesarenko, “Early career scientists converse on the future of soft robotics,” Frontiers in Robotics and AI, February 22, 2023, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2023.1129827/full.