더 안전하고 부드러운 로봇을 위한 인공 '근육'의 새로운 변형

노스웨스턴 대학교(Northwestern University)의 엔지니어들은 인간의 근육처럼 로봇이 확장 및 수축을 통해 움직이게 하는 부드럽고 유연한 새로운 장치를 개발했습니다.

액추에이터라고 불리는 새로운 장치를 시연하기 위해 연구원들은 이를 사용하여 원통형의 벌레 모양의 소프트 로봇과 인공 이두박근을 만들었습니다. 실험에서 원통형 소프트 로봇은 좁은 파이프 같은 환경의 빡빡하고 머리핀 곡선을 탐색했으며 이두박근은 500그램 무게를 5,000회 연속으로 실패 없이 들어 올릴 수 있었습니다.

연구원들은 일반적인 고무를 사용하여 소프트 액추에이터의 몸체를 3D 프린팅했기 때문에 결과 로봇은 액추에이터의 모양 변화를 구동하는 소형 모터를 제외하고 재료 비용이 약 3달러입니다. 이는 종종 수백에서 수천 달러의 비용이 드는 로봇 공학에 사용되는 일반적인 단단하고 견고한 액추에이터와 극명하게 대조됩니다.

새로운 액추에이터는 실제 응용 분야에서 더 안전하고 실용적인 저렴하고 부드럽고 유연한 로봇을 개발하는 데 사용될 수 있다고 연구진은 말했습니다.

이 연구는 월요일(7월 8일) 저널에 게재되었습니다. 고급 지능형 시스템.

이번 연구를 이끈 노스웨스턴대학의 라이언 트루비(Ryan Truby)는 “로봇공학자들은 로봇을 더 안전하게 만들겠다는 오랜 목표에 의해 동기를 부여받았다”고 말했다. "부드러운 로봇이 사람을 때리면 단단하고 단단한 로봇에 맞을 때만큼 아프지 않습니다. 우리의 액추에이터는 인간 중심 환경에 보다 실용적인 로봇에 사용될 수 있습니다. 그리고 가격이 저렴하기 때문에, 역사적으로 너무 비용이 많이 드는 방식으로 더 많은 것을 사용할 수 있을 것입니다."

Truby는 Northwestern의 McCormick School of Engineering에서 June and Donald Brewer 재료 과학, 공학, 기계 공학과의 주니어 교수로 재직하며 The Robotic Matter Lab을 이끌고 있습니다. Truby 연구실의 박사후 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 김태경이 연구를 주도했습니다. Pranav Kaarthik, 박사. 기계 공학 후보자도 작업에 기여했습니다.

'살아있는 유기체처럼 행동하고 움직이는' 로봇

견고한 액추에이터는 오랫동안 로봇 설계의 초석이었지만 유연성, 적응성 및 안전성이 제한되어 로봇공학자들은 대안으로 소프트 액추에이터를 탐색하게 되었습니다. 소프트 액추에이터를 설계하기 위해 Truby와 그의 팀은 동시에 수축하고 경직되는 인간 근육에서 영감을 얻었습니다.

"근육처럼 움직일 수 있는 물질을 어떻게 만드나요?" 트루비가 물었다. "만약 그렇게 할 수 있다면 살아있는 유기체처럼 행동하고 움직이는 로봇을 만들 수 있습니다."

새로운 액추에이터를 개발하기 위해 팀은 고무로 "HSA(handed shearing auxetics)"라고 불리는 원통형 구조를 3D 프린팅했습니다. 제작이 어려운 HSA는 독특한 움직임과 특성을 가능하게 하는 복잡한 구조를 구현합니다. 예를 들어, 비틀면 HSA가 확장되고 확장됩니다. Truby와 Kaarthik은 과거에 유사한 로봇용 HSA 구조를 3D 프린팅했지만 값비싼 프린터와 견고한 플라스틱 수지를 사용해야 했습니다. 결과적으로 이전 HSA는 쉽게 구부러지거나 변형되지 않았습니다.

"이것이 작동하려면 HSA를 더 부드럽고 내구성이 더 좋게 만드는 방법을 찾아야 했습니다."라고 김씨는 말했습니다. "우리는 더 저렴하고 쉽게 사용할 수 있는 데스크톱 3D 프린터를 사용하여 고무로 부드럽지만 견고한 HSA를 제작하는 방법을 알아냈습니다."

Kim은 휴대폰 케이스에 흔히 사용되는 고무인 열가소성 폴리우레탄으로 HSA를 인쇄했습니다. 이로 인해 HSA가 훨씬 더 부드럽고 유연해졌지만 한 가지 과제가 남아 있었습니다. HSA를 비틀어 확장하고 확장하는 방법입니다.

이전 버전의 HSA 소프트 액추에이터는 일반적인 서보 모터를 사용하여 재료를 확장 및 팽창 상태로 비틀었습니다. 그러나 연구원들은 각각 자체 모터가 있는 2~4개의 HSA를 함께 조립한 후에야 성공적인 작동을 달성했습니다. 이러한 방식으로 소프트 액추에이터를 구축하면 제작 및 운영상의 어려움이 발생했습니다. 또한 HSA 액추에이터의 부드러움도 감소했습니다.

향상된 소프트 액추에이터를 구축하기 위해 연구원들은 하나의 서보 모터로 구동되는 단일 HSA를 설계하는 것을 목표로 했습니다. 하지만 먼저 팀은 단일 모터가 단일 HSA를 비틀도록 만드는 방법을 찾아야 했습니다.

'전체 파이프라인' 단순화

이 문제를 해결하기 위해 Kim은 변형되고 회전하는 샤프트처럼 작동하는 구조에 부드럽고 확장 가능한 고무 벨로우즈를 추가했습니다. 모터가 토크(물체를 회전시키는 동작)를 제공하면 액추에이터가 확장됩니다. 단순히 모터를 한 방향으로 돌리거나 다른 방향으로 돌리면 액추에이터가 늘어나거나 수축됩니다.

"기본적으로 택영은 모터 회전으로 근육과 같은 움직임을 만들기 위해 두 개의 고무 부품을 설계했습니다."라고 Truby는 말했습니다. "현장에서는 소프트 액추에이터를 더 번거롭게 만들었지만 태경은 3D 프린팅으로 전체 파이프라인을 크게 단순화했습니다. 이제 로봇 공학자라면 누구나 사용하고 만들 수 있는 실용적인 소프트 액추에이터를 갖게 되었습니다."

벨로우즈는 Kim이 스스로 움직이는 단일 액추에이터로 기어가는 소프트 로봇을 만들 수 있도록 충분한 지지력을 추가했습니다. 액추에이터의 밀고 당기는 동작은 파이프를 시뮬레이션하는 구불구불하고 제한된 환경을 통해 로봇을 앞으로 추진합니다.

"우리 로봇은 단일 구조를 사용하여 이러한 확장 동작을 수행할 수 있습니다."라고 Kim은 말했습니다. "이것은 우리의 액추에이터가 모든 유형의 로봇 시스템에 보편적으로 통합될 수 있기 때문에 더욱 유용하게 만듭니다."

빠진 부분: 근육 경직

그 결과 벌레 모양의 로봇은 길이가 26cm에 불과한 소형이었고 분당 32cm가 조금 넘는 속도로 앞뒤로 기어갔습니다. Truby는 액추에이터가 완전히 확장되면 로봇과 인공 이두근 모두가 더 단단해진다는 점에 주목했습니다. 이는 이전 소프트 로봇이 달성할 수 없었던 또 다른 속성이었습니다.

"근육처럼 이러한 부드러운 작동 장치는 실제로 뻣뻣해집니다"라고 Truby는 말했습니다. "예를 들어 병의 뚜껑을 비틀어 본 적이 있다면 힘을 전달하기 위해 근육이 조여지고 더 뻣뻣해지는 것을 알 수 있습니다. 이것이 근육이 신체의 작동을 돕는 방식입니다. 이는 소프트 로봇 공학에서 간과된 기능이었습니다. 많은 소프트 액추에이터 사용 중에는 부드러워지지만 유연한 액추에이터는 작동할수록 더욱 단단해집니다."

Truby와 Kim은 그들의 새로운 액추에이터가 더 많은 생체 영감 로봇을 향한 또 다른 단계를 제공한다고 말합니다.

“살아있는 유기체처럼 움직일 수 있는 로봇은 기존 로봇이 할 수 없는 작업을 수행하는 로봇에 대해 생각할 수 있게 해줄 것입니다.”라고 Truby는 말했습니다.

"선형 서보 구동 모션을 위한 유연하고 구조화된 소프트 로봇 액츄에이터"라는 연구는 해군 연구실과 노스웨스턴 엔지니어링 및 지속 가능성 탄력성 센터에서 수여하는 Truby의 젊은 조사자 상(Young Investigator Award)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240710135244.htm