벌레, 스프링, 그리고 소프트 로봇: 작은 생물이 거대한 도약을 촉발하다

조지아 공대의 연구원들은 최근 인상적인 성과를 공개했습니다: 다리 없이도 5피트(약 10미터) 높이, 즉 농구 골대 높이까지 솟아오를 수 있는 XNUMXcm 길이의 소프트 로봇. 이 디자인은 머리카락보다 가늘고 몸길이의 몇 배나 되는 거리를 뛰어오를 수 있는 작은 선충류에서 영감을 받았습니다. 

몸을 꽉 꼬집어 탄성 에너지를 저장했다가 갑자기 방출하여 마치 곡예 체조 선수처럼 하늘이나 뒤로 몸을 던집니다. 엔지니어들은 이 동작을 모방했습니다. 그들의 "SoftJM" 로봇은 본질적으로 단단한 탄소 섬유 척추뼈를 가진 유연한 실리콘 막대입니다. 바퀴나 다리가 없음에도 불구하고, 굽히는 방식에 따라 앞이나 뒤로 도약할 수 있습니다.

선충류에서 영감을 받은 이 로봇은 마치 사람이 웅크리고 있는 것처럼 몸을 웅크렸다가 폭발적으로 몸을 펴서 점프합니다. 고속 카메라는 이 로봇이 머리를 위로 굽히고 몸 중앙을 구부려 뒤로 점프한 다음, 몸을 곧게 펴고 꼬리를 구부려 앞으로 점프하는 모습을 보여줍니다. 

조지아 공대 연구팀은 호스나 케이블에서 흔히 발생하는 이러한 급격한 굽힘 현상이 실제로 웜과 로봇이 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 한다는 것을 발견했습니다. 한 연구원이 지적했듯이, 꼬인 빨대나 호스는 쓸모가 없지만, 꼬인 웜은 마치 스프링처럼 작동합니다. 실험실에서 소프트 로봇은 재현 이 속임수는 몸통이나 꼬리를 "꼬집고" 긴장시킨 다음 폭발적으로 (약 1/10밀리초) 풀어서 공중으로 솟아오르는 것입니다.

소프트 로봇의 부상

소프트 로봇공학은 젊지만 빠르게 성장하는 분야로, 자연에서 영감을 얻는 경우가 많습니다. 단단한 금속 기계와 달리, 소프트 로봇은 압축, 신장, 주변 환경에 적응할 수 있는 유연한 소재로 제작됩니다. 이 분야의 초기 이정표는 다음과 같습니다. 하버드의 옥토봇 – 문어 근육에서 영감을 받아, 딱딱한 부분이 전혀 없고 실리콘과 유체 채널로만 구성된 자율 로봇. 그 이후로 엔지니어들은 벌레처럼 기어 다니는 로봇, 젤리처럼 생긴 집게, 착용형 "엑소슈트", 덩굴처럼 구르는 로봇 등 다양한 소프트 로봇을 개발해 왔습니다. 

예를 들어, 예일대 연구진은 거북이에서 영감을 받은 소프트 로봇을 개발했습니다. 이 로봇은 수영을 하든 걸을 때 다리가 펄럭이는 지느러미와 단단한 "육지 다리"로 전환됩니다. UCSB의 과학자들은 빛에 민감한 "피부"만을 사용하여 빛을 향해 자라는 덩굴 모양의 로봇을 만들었습니다. 마치 식물 줄기처럼 좁은 공간을 통해 스스로 뻗어 나가는 것입니다. 이러한 혁신과 더불어 생물학적으로 영감을 받은 다른 혁신들은 소프트 소재가 어떻게 새로운 움직임 방식을 만들어낼 수 있는지를 보여줍니다.

전반적으로, 지지자들은 소프트 로봇이 기존 로봇이 할 수 없는 일을 할 수 있다고 말합니다. 미국 국립과학재단 노트 적응형 소프트 머신은 "기존 로봇으로는 도달할 수 없었던 공간", 심지어 인체 내부까지도 탐험할 수 있다고 합니다. 일부 소프트 로봇은 물체에 섞이거나 물체를 잡기 위해 강성이나 색상을 바꾸는 프로그래밍 가능한 "피부"를 가지고 있습니다. 엔지니어들도 탐색하고 있습니다 오리가미/키리가미 기법, 형상 기억 폴리머, 그리고 기타 기술을 사용하여 로봇이 즉석에서 재구성될 수 있도록 했습니다.

엔지니어링 유연 모션

부드러운 로봇을 동물처럼 움직이게 하는 것은 큰 난관에 부딪힙니다. 단단한 관절이나 모터가 없다면 설계자들은 재료의 특성과 정교한 기하학적 구조에 의존해야 합니다. 예를 들어, 조지아 공대의 점퍼는 스프링의 움직임을 충분히 강하게 만들기 위해 고무 몸체 내부에 탄소 섬유 척추를 삽입해야 했습니다. 센서와 제어 시스템을 통합하는 것 또한 까다롭습니다. 펜실베이니아 주립대 엔지니어들이 지적합니다.기존의 전자 제품은 딱딱해서 부드러운 로봇을 그 자리에 고정시킬 수 없습니다.

기어 다니는 작은 구조 로봇을 "스마트"하게 만들기 위해, 로봇이 구부러질 수 있도록 유연한 회로를 몸 전체에 조심스럽게 배치해야 했습니다. 에너지원을 찾는 것조차 더 어렵습니다. 어떤 소프트 로봇들은 무거운 배터리를 장착하면 무게가 나가기 때문에 외부 자기장이나 압축 공기를 사용합니다.

조지아 공대의 선충류에서 영감을 받은 소프트 로봇(사진: 캔들러 홉스)

또 다른 난관은 적절한 물리학을 활용하는 것입니다. 선충류 로봇 팀은 꼬임이 실제로 도움이 된다는 것을 알게 되었습니다. 일반 고무 튜브에서는 꼬임이 흐름을 빠르게 멈추지만, 부드러운 벌레에서는 내부 압력을 느리게 형성하여 방출되기 전에 훨씬 더 많이 구부러질 수 있습니다. 시뮬레이션과 물이 가득 찬 풍선 모델을 이용한 실험을 통해 연구진은 유연한 몸체가 구부러졌을 때 많은 탄성 에너지를 유지한 다음 한 번의 빠른 점프로 이를 방출할 수 있음을 보여주었습니다. 그 결과는 놀랍습니다. 로봇은 정지 상태에서 척추를 굽히는 것만으로도 10미터 높이까지 반복적으로 점프할 수 있습니다. 이러한 획기적인 발견은 저장 그리고 공개 고무 소재의 에너지는 소프트 로봇 공학의 전형적인 특징입니다.

실제 세계의 호퍼와 헬퍼

이 모든 소프트 로봇은 무엇에 유용할까요? 원칙적으로 소프트 로봇은 단단한 기계로는 너무 위험하거나 어려운 상황을 해결할 수 있습니다. 예를 들어 재난 지역에서 소프트 로봇은 잔해 밑이나 무너진 건물 속으로 기어들어가 생존자를 찾을 수 있습니다. 펜실베이니아 주립대는 좁은 잔해를 헤쳐나가거나 혈관 크기의 통로를 통과할 수 있는 자기 제어 소프트 크롤러 프로토타입을 선보였습니다.

의학 분야에서는 미세한 소프트 로봇이 체내에 직접 약물을 전달할 수 있습니다. MIT의 한 연구에서는 실처럼 얇은 소프트 로봇이 동맥을 떠다니며 혈전을 제거하여 개복 수술 없이 뇌졸중을 치료할 수 있는 방안을 제시했습니다. 하버드 과학자들도 소프트 웨어러블 외골격을 개발하고 있습니다. 가볍고 팽창 가능한 슬리브는 루게릭병(ALS) 환자들이 어깨를 들어 올리는 데 도움을 주어 운동 범위를 즉시 개선해 줍니다.

우주 기관들도 소프트 점프 로봇에 주목하고 있습니다. 바퀴는 모래나 바위에 걸릴 수 있지만, 깡충깡충 뛰는 로봇은 분화구와 모래 언덕을 뛰어넘을 수 있습니다. NASA는 달과 얼음 위성을 위한 새로운 점프 로봇도 구상하고 있습니다. 한 컨셉에서는 축구공 크기의 로봇이 참새 끓인 얼음에서 나오는 증기를 이용해 유로파나 엔셀라두스를 수 마일이나 뛰어넘을 수 있습니다. 이러한 위성들의 낮은 중력에서는 작은 점프로도 매우 멀리 갈 수 있습니다. 과학자들은 지구에서 로봇이 1미터를 뛰어넘으면 엔셀라두스에서는 100미터를 뛰어넘을 수 있다고 지적합니다. 이러한 로봇 수십 대가 바퀴 달린 로버가 정지해야 하는 외계 지형을 "완전히 자유롭게 이동"할 수 있다는 아이디어입니다. 지구에서는 미래의 소프트 점퍼가 강, 진흙, 또는 기존 로봇이 감당하기 힘든 불안정한 지면을 뛰어넘어 수색 및 구조 임무에 도움을 줄 수 있습니다.

소프트 로봇은 산업과 농업 분야에서도 활용되고 있습니다. 미국 국립과학재단(NSF)은 소프트 로봇이 사람이 방해하더라도 순응하기 때문에 공장이나 농장에서 안전한 도우미 역할을 할 수 있다고 지적합니다. 연구원들은 심지어 섬세한 과일을 손상시키지 않고 부드럽게 따는 소프트 그립퍼를 개발하기도 했습니다. 소프트 로봇은 유연하기 때문에 단단한 기기로는 너무 좁거나 유연한 곳에서도 작동할 수 있습니다.

결국 전문가들은 소프트 로봇공학이 여러 분야를 근본적으로 변화시킬 것이라고 믿습니다. 벌레부터 웨어러블 슈트, 달 착륙 로봇에 이르기까지, 이 연구 주제는 작은 생물에 대한 연구가 어떻게 기술 발전에 큰 도약을 가져올 수 있는지를 보여줍니다.