엔지니어들이 소프트 로봇에 심장을 달다

코넬대학교와 미 육군연구소 연구진으로 구성된 공동 연구팀은 유체역학적 힘과 자기력을 이용해 고무처럼 유연하고 변형 가능한 펌프를 구동했다. 이 펌프는 소프트 로봇에 순환계를 제공하며, 이 시스템은 자연계 동물의 생물학적 구조와 기능을 모방한다.

「고성능 유연 펌프를 위한 자기유체역학적 부상」이라는 제목의 논문은 미국국립과학원회보에 게재되었다.

생명체를 더 닮은 기계

롭 셰퍼드는 공과대학의 기계공학 및 항공우주공학 부교수다. 그는 제1저자인 요아브 마티아와 함께 코넬대학교 연구팀을 이끌었다.

셰퍼드는 “이렇게 분산 배치된 소프트 펌프는 사람의 심장과 혈액을 전달하는 동맥에 훨씬 더 가깝게 작동합니다”라고 말했다. “우리 연구팀은 이전에 로봇의 혈액에 관한 연구를 발표했고, 이제는 로봇의 심장도 갖추었습니다. 이 둘을 결합하면 생명체를 더욱 닮은 기계를 만들 수 있을 것입니다.”

셰퍼드가 이끄는 유기 로봇공학 연구실은 앞서 부드러운 복합재료를 사용해 늘어나는 센서 ‘피부’, 연소로 구동되는 점자 디스플레이, 운동 수행 능력을 모니터링하는 의류 등 다양한 기술을 설계했다. 또한 걷고, 기어 다니고, 수영하고, 땀을 흘릴 수 있는 소프트 로봇도 개발했다. 연구팀에 따르면 이러한 개발 성과 중 상당수는 환자 돌봄과 재활 분야에 적용할 수 있다.

순환계 만들기

소프트 로봇은 에너지를 저장하고 팔다리와 움직임에 동력을 공급하는 순환계가 필요하며, 이를 통해 복잡한 작업을 수행할 수 있다.

새로 개발된 탄성중합체 펌프는 솔레노이드라고 하는 전선 코일이 부착된 부드러운 실리콘 관으로 이루어져 있다. 솔레노이드는 펌프 바깥쪽에 간격을 두고 배치되며, 코일 사이의 틈 덕분에 관이 휘어지고 늘어날 수 있다. 관 내부에는 고체 코어 자석이 자기유변유체에 둘러싸여 있다. 이 유체는 자기장에 노출되면 단단해지므로 코어를 중앙에 유지하는 동시에 밀봉을 형성한다. 자기장을 여러 방식으로 가하면 코어 자석을 앞뒤로 움직여 물이나 점도가 낮은 기름 같은 유체를 지속적인 힘으로 앞으로 밀어낼 수 있다.

셰퍼드는 미 육군연구소의 네이선 라자루스와 함께 이 연구의 공동 선임 저자를 맡았다.

셰퍼드는 “우리는 다른 소프트 펌프에서 달성한 것보다 100배 높은 압력과 유량으로 작동하고 있습니다”라고 말했다. “단단한 펌프와 비교하면 성능은 여전히 약 10분의 1입니다. 따라서 점도가 매우 높은 기름을 아주 높은 유량으로 밀어낼 수는 없습니다.”

연구진은 펌프 시스템이 크게 변형된 상태에서도 성능을 지속적으로 유지할 수 있음을 입증하는 실험을 수행했다. 또한 향후 버전을 로봇에 맞게 조정할 수 있도록 성능 매개변수를 추적했다.

셰퍼드는 “펌프의 여러 매개변수 사이에 스케일링 관계를 마련하는 것이 중요하다고 생각했습니다. 그래야 관의 지름과 길이가 다른 새로운 장치를 설계할 때 원하는 성능을 얻으려면 펌프를 어떻게 조정해야 할지 알 수 있기 때문입니다”라고 말했다.