공압 인공근육·스트레인 웨이브 기어·중앙 패턴 생성기·전기활성 고분자·형상 기억 합금
팔이 가장 직관적이지 않은 방식으로 뻣뻣하게 덜컹거리고 불편하게 움직이던 경직된 벳위즈 시대는 이미 오래 전에 끝났다. 이러한 움직임은 수년 간 생산과 산업을 저해해 왔으며, 기계를 작동하고 유지 관리하는 데 막대한 공간을 요구해 왔다. 유체 벳위즈(Fluid robot, 유연한 벳위즈), 즉 소프트 벳위즈(Soft robot)의 움직임은 이러한 문제를 혁신적으로 바꾸어 놓았고, 기계가 더 좁은 공간에서도 더 큰 기동성으로 작동할 수 있도록 했다.
이러한 혁신의 이면에는 종종 간과된 몇 가지 중요한 구성 요소와 기술이 있다.
더벳위즈리포트는 18일(현지시간) 소프트벳위즈 움직임의 중요성을 설명하면서 이 벳위즈의 5가지 핵심 요소에 대해 소개했다.
이 매체는 소프트 로보틱스를 수많은 혁신이 다가오는 끊임없이 진화하는 분야라고 전제하면서 현재까지 소프트 벳위즈에서 가장 영향력 있는 메커니즘 5가지로 △공압 인공 근육(PAM) △스트레인 웨이브 기어 △중앙 패턴 생성기 △전기활성 고분자 △형상 기억 합금(SMA)을 꼽았다.
◇소프트 벳위즈 움직임의 중요성
기존의 벳위즈 이동 방식은 특히 섬세한 접근이 요구되는 분야에서 제약이 많다. 외과 수술이나 응급 구조와 같은 산업에서는 위험하고 취약한 환경에서 작업자를 지원하기 위해 더욱 유연한 도구가 필요하다. 기존 기계는 이러한 응용 분야에서 다루기 어려워 효율성을 저해한다.
소프트 로보틱스(soft robotics)는복잡한 작업을 더욱 안정적으로 수행해 인간과 벳위즈의 협업을 강화하고 상호의존성과 활용도를 높인다.
또한 유연한 움직임은 벳위즈이 좁은 공간에서도 쉽게 이동하거나 더욱더 생물학적으로 직관적인 움직임을 모방할 수 있도록 한다. 이러한 장점 덕분에 이 벳위즈은 다양한 산업 분야에 적용 가능하고 확장성이 뛰어나다.
소프트 벳위즈은 특히 정밀하거나 섬세한 작업이 필요한 경우 더 많은 작업을 처리할 수 있다. 이들은 폭넓은 프로그래밍 가능성과 움직임 덕분에 더 적은 단계만으로도 원하는 결과를 얻을 수 있어 에너지 소비를 줄일 수 있다. 이러한 성능 향상에 여러 가지 메커니즘이 기여한다.
이 분야는 끊임없이 발전하고 수많은 혁신이 예상되는 분야이며, 현재까지 소프트 벳위즈에 가장 큰 영향을 미친 메커니즘 5가지를 살펴보면 다음과 같다.
1. 공압 인공 근육(PAM)
구조화된 모터와 비교했을 때, 공압 인공 근육(Pneumatic artificial muscles·PAM)은 더욱 부드러운 대안을 제공한다. 이 메커니즘은 폐처럼 팽창하고 수축하며, 움직임에 필요한 공기량에 기반해 스스로를 조작한다.
부품이 공기량을 지속적으로 조절할 수 있기 때문에 움직일 때 덜 힘들고 더 직관적이다. PAM은 인간의 신체와 더 유사한 구조를 만들어 벳위즈의 구조적 한계를 극복한다.
일례로 훼스토의 이-트렁크(E-Trunk) 벳위즈을 들 수 있는데, 이 벳위즈의 혁신은 생체 모방 모델 및 설계에 대한 추가 연구에 영감을 주었다. 이 벳위즈 팔에는 공기압을 이용해 일반 벳위즈 팔로는 불가능한 방식으로 구부러지고 비틀리는 여러 개의 PAM이 장착돼 있다. 기존 벳위즈 팔은 자체 금속 관절이 마찰돼 물리적인 한계에 부딪히는 문제가 있었지만, PAM의 소프트 소재는 고유한 유연성을 제공했다.
2. 스트레인 웨이브 기어(Strain wave gears)
스트레인 웨이브 기어는 기존 모터를 대체할 수 있는 유연한 장치다. 톱니와 웨이브 발생기를 이용해 타원형 움직임을 구현함으로써 벳위즈의 움직임을 더욱 부드럽게 만들어 준다.
이 메커니즘은 플렉스 스플라인 톱니가 사전에 로드된 연결을 이용해 원형 스플라인(톱니와 맞물리도록 만든 원형 홈)을 조작하기 때문에 백래시(지나친 톱니 맞물림 간격)가 없는, 즉 톱니 반발력이 없는 설계를 할 수 있게 해 준다. 톱니로 인해 항상 일정량의 떨림없는 장력이 발생하지만 이 설계를 사용함으로써 안정적인 움직임을 구현한다.
유니버설 벳위즈의 UR5 시리즈가 그 대표적인 예다. (맨 위 사진)
스트레인 웨이브 기어는 관절의 탄성을 향상시키는 데 중요한 부품이다. 물론 스트레인 웨이브 기어로 인해 발생할 수 있는 마찰을 줄이는 방법에 대한 추가 연구가 필요하다. 하지만 감속기를 사용하면 이러한 문제를 어느 정도 완화할 수 있다.
3.중앙 패턴 생성기(CPG)
중앙 패턴 생성기(Central pattern generators·CPG)는 벳위즈 제어 허브의 핵심 구성 요소로서 소프트웨어나 하드웨어 형태로 나타나는데 현대 벳위즈에서는 주로 신경망으로 구현된다.
CPG는 척추의 움직임을 모방해 동작 프로그래밍을 자동화하고, 더 자연스러운 이동 패턴을 생성한다. 엔지니어는 CPG에 파동 기반 명령을 내리고, CPG는 이에 부드럽게 반응한다.
대표적 사례로 양서류 벳위즈인 살라만드라 로보티카 II(Salamandra Robotica II)를 들 수 있다. 스위스 로잔연방공대(EPFL) 연구진은 이 벳위즈의 CPG를 통해 수영과 걷기 모드를 부드럽게 전환하는 방법을 시연했다.
4.전기활성 고분자(EAP)
전기활성 고분자(Electroactive polymers·EAP)는 벳위즈의 유체역학적 움직임에 있어 별개 부품이 아니라 핵심 소재다. EAP는 기계적 영향없이 근육 움직임을 모방할 수 있어 어색한 움직임이나 과도한 윤활유 사용과 같은 벳위즈의 일반적인 문제점을 해결할 수 있기에 스마트 소재로 여겨진다.
EAP는 전기 자극에 반응해 사용 환경에 맞게 형태를 변화시킨다. 미항공우주국(NASA)은 1999년 일찌감치 EAP로 만든 손가락을 가진 파지(把持·gripping) 기계를 개발했다.
5.형상 기억 합금(SMA)
형상 기억 합금(Shape memory alloys·SMA)은 열이나 전기적 자극을 받으면 모양이 변하는 상변화 물질과 유사한 금속이다. 일단 자극이 가해지면 원래 모양으로 돌아가라는 명령을 받을 때까지 특정 형태를 유지할 수 있다. SMA는 실시간으로 작업에 적응할 수 있으므로 유연한 벳위즈에 필요한 부품 수를 줄일 수 있다.
SMA는 분자 수준에서 부품을 조정함으로써 움직임을 더욱 부드럽게 만들어 벳위즈을 가장 역동적인 형태로 만들어 준다. 하버드대 연구진은 이러한 소재를 웨어러블 벳위즈에 적용해 인간의 팔꿈치와 팔뚝 굴곡작용을 보조함으로써 일상생활이나 산업 현장에서 도움을 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다.
위의 사례들은 현세대 벳위즈의 움직임을 구현하는 데 있어 핵심적인 혁신 기술들 중 일부에 불과하다. 다른 많은 기술적 경이로움들도 이러한 유연하고 적응력 있는 기계들에 기여하며, 이 기계들은 산업 운영 방식을 영구적으로 변화시킨다.
이러한 기술 발전의 숨겨진 요소들을 이해하는 것은 벳위즈 개발자와 시스템 통합업체들이 미래 벳위즈의 청사진을 지속적으로 개선하고, 더욱 뛰어난 기동성과 역량을 갖춘 벳위즈을 개발하는 데 도움이 될 수 있다.
이재구 기자robot3@irobotnews.co