컴퓨터 그래픽스 기술을 소프트 로봇틱스에 적용

캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA)와 카네기 멜런 대학교의 과학자들은 소프트 로봇틱스에 고급 컴퓨터 그래픽스 기술을 적용하였다. 애니메이션 영화와 비디오 게임 개발자들이 매우 자세한 이미지를 생성하는 데 사용하는 동일한 기술을 사용하여 애니메이션 영화와 비디오 게임에서 머리카락과 직물과 같은 이미지를 생성하는 데 사용하는 동일한 기술을 사용하여 소프트 로봇과 그들의 움직임을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다.

이 연구는 5월 6일에 네이처 커뮤니케이션즈에 발표되었다. 이 논문의 제목은 “소프트 로봇의 동적 시뮬레이션“이다.

칼리드 자위드(Khalid Jawed)는 이 연구의 저자이며 UCLA 사ミュ엘리 공과대학의 기계 및 항공 우주 공학 조교수이다.

“우리는 실제 시간보다 빠른 속도로 소프트 로봇을 시뮬레이션할 수 있었으며, 이는 자율적으로 작동하고 스스로 행동을 계획할 수 있는 로봇을 개발하는 데 중요한 단계이다”라고 자위드는 말했다. “소프트 로봇은 유연한 재료로 만들어져 있기 때문에 내재적으로 내구성이 뛰어나고 인간과의 상호작용에서 훨씬 더 안전할 수 있다. 이 연구 이전에는 이러한 로봇의 움직임을 예측하는 것이 어려웠지만, 이제는 이러한 로봇을 시뮬레이션할 수 있다.”

DER와 FEM 기술

이산탄성로드(discrete elastic rods, DER) 알고리즘은 영화 制作에서 자유 흐름 객체를 애니메이션하는 데 자주 사용된다. DER는 단 몇 분의 1초 안에 수백 개의 움직임을 예측할 수 있다.

연구자들은 DER를 사용하여 생체 모방 로봇의 움직임을 시뮬레이션할 수 있는 물리 엔진을 개발하려고 했다. 또한 마스나 수중에서 작동하는 로봇을 개발하기 위해 이를 사용하려고 했다.

유한 요소 法(finite element method, FEM)은 알고리즘 기반 기술로, 단단하고剛性 로봇의 움직임을 시뮬레이션할 수 있다. 그러나 FEM는 자연스럽고 유연한 움직임과 필요한 세부 사항을 시뮬레이션하는 데 적합하지 않다. 또한 FEM는 많은 계산 능력을 필요로 하며 오랜 시간이 걸린다.

로봇공학자들은 소프트 로봇을 개발하고 시뮬레이션하기 위해 시도錯誤의 방법에 의존해 왔다.

카멜 마지디(Carmel Majidi)는 카네기 멜런 대학교 공과대학의 기계 공학 조교수이다.

“경도하고 유연한 재료로 만들어진 로봇은 상대적으로 쉽게 기존 컴퓨터 시뮬레이션 도구를 사용하여 모델링할 수 있다”라고 마지디는 말했다. “그러나 지금까지는 블록버스터 영화와 애니메이션 영화에서 머리카락과 직물과 같은 것을 모델링하는 데 사용된 컴퓨터 그래픽스 소프트웨어를 사용하여 소프트 로봇을 시뮬레이션할 수 있는 좋은 소프트웨어 도구가 없었다. 우리의 연구는 이러한 소프트웨어를 사용하여 소프트 로봇을 성공적으로 시뮬레이션할 수 있는 첫 번째 연구 중 하나이다.”

연구자들은 3년 전부터 마지디의 소프트 머신 연구실에서 협력하기 시작했다. 최근 프로젝트에서는 자위드가 UCLA 연구실에서 시뮬레이션을 실행하고 마지디가 시뮬레이션 결과를 확인하기 위해 물리적 실험을 수행했다.

시뮬레이션 도구는 소프트 로봇을 적용 지점까지 도달하는 시간을 크게 줄였다.

미국 육군 연구소의 지원

이 연구는 미국 육군 연구소의 지원을 받았다. 미국 육군 연구소는 미국 육군 전투 능력 개발 사령부의 육군 연구 연구소의 일부이다.

샘 스탠턴(Samuel Stanton) 박사는 미국 육군 연구소의 프로그램 매니저이다.

“소프트 로봇틱스의 실험적 발전은 이론을 앞서왔다”라고 스탠턴은 말했다. “이 연구는 동적 및 제어에 대한 예측 및 설계를 위한 우리의 능력에서 중요한 단계이다. 이러한 로봇은 복잡한 환경에서 작동하며, 이는 매우 어려운 환경이다.”

이 기술은現在 다른 종류의 소프트 로봇에 적용되고 있다. 이러한 로봇 중 하나는 박테리아와 해星의 움직임을 기반으로 하는 로봇으로, 해양학적 작업에서 해수 조건을 모니터링하거나 해양 생명을 검사하는 데 사용될 수 있다.