로봇 집단을 스마트 소재처럼 작동시키는 방법

캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스와 드레스덴 공과대학의 연구자들은 생물학에서 영감을 받은 행동을 하는 로봇의 개념 증명형 소재 유사 집단을 만들어 로봇공학과 소재 간의 경계를 모호하게 만들고 있습니다.

"우리는 로봇이 물질처럼 행동할 수 있는 방법을 알아냈습니다." UCSB 기계공학 교수 엘리엇 호크스의 연구실에서 박사 학위를 취득한 전 연구원이자 저널 Science 에 게재된 논문의 주저자인 매튜 데블린의 말입니다. 작은 하키 퍽처럼 생긴 개별 원반 모양의 자율 로봇으로 구성된 집단의 구성원은 서로 다른 물질적 특성을 가진 다양한 형태로 스스로를 조립하도록 프로그래밍됩니다.

연구팀이 특히 관심을 가진 것은 딱딱하고 강하면서도 새로운 형태가 필요할 때 흐를 수 있는 로봇 소재를 만드는 과제였습니다. Hawkes는 형태를 얻기 위해 외부의 힘에 반응하는 대신, 로봇 소재는 이상적으로는 내부 신호에 반응하여 모양을 취하고 유지할 수 있지만 "선택적으로 새로운 모양으로 흐를 수도 있습니다."라고 설명했습니다.

영감을 얻기 위해 연구자들은 UCSB의 전 교수이자 현재 TU 드레스덴의 Physics of Life Excellence Cluster 책임자인 Otger Campàs의 이전 연구를 활용했습니다. 그는 "살아있는 배아 조직은 궁극의 스마트 소재입니다."라고 말했습니다. "자체적으로 형성하고, 자체적으로 치유하고, 심지어 공간과 시간에 따라 재료 강도를 제어할 수 있는 능력이 있습니다." UCSB에 있는 동안 그의 연구실은 배아가 유리처럼 녹아서 스스로를 형성할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그는 "자신을 조각하기 위해 배아의 세포는 조직을 유체와 고체 상태로 전환할 수 있습니다. 물리학에서 강성 전이로 알려진 현상입니다."라고 덧붙였습니다.

배아 발달 중에 세포는 서로 주변에 배열하는 놀라운 능력을 가지고 있어, 유기체를 미분화된 세포 덩어리에서 손과 발과 같은 별개의 형태와 뼈와 뇌와 같은 다양한 일관성을 가진 집합으로 전환합니다. 연구자들은 이러한 강성 전환의 배후에 있는 세 가지 생물학적 과정을 가능하게 하는 데 집중했습니다. 즉, 발달하는 세포가 서로에게 적용하는 활동적인 힘으로, 세포가 서로 움직일 수 있게 합니다. 이러한 세포가 공간과 시간에서 움직임을 조정할 수 있게 하는 생화학적 신호 전달. 그리고 서로 접착하는 능력으로, 궁극적으로 유기체의 최종 형태에 강성을 부여합니다.

로봇의 세계에서 세포 내부의 힘은 단위 간의 접선력으로 변환되며, 이는 각 로봇의 원형 외관을 따라 있는 8개의 모터화된 기어를 통해 가능해집니다. 이를 통해 로봇은 좁은 공간에서도 서로를 밀고 돌아가며 움직일 수 있습니다.

한편, 생화학적 신호 전달은 글로벌 좌표계와 유사합니다. "각 세포는 머리와 꼬리를 '알고' 있으므로 어느 방향으로 쥐고 힘을 가해야 할지 압니다." 호크스가 설명했습니다. 이런 식으로 세포 집단은 서로 나란히 줄을 서서 몸을 길게 늘릴 때와 같이 조직의 모양을 바꾸는 데 성공합니다.

로봇에서 이 업적은 각 로봇의 상단에 편광 필터가 있는 광 센서를 통해 달성됩니다. 이 센서에 빛이 비추면 빛의 편광이 기어를 어느 방향으로 돌려야 하는지, 따라서 모양을 어떻게 바꿔야 하는지 알려줍니다. "일정한 빛 필드 아래에서 모든 로봇에게 어느 방향으로 가야 하는지 한꺼번에 말하면, 모두 줄을 서서 필요한 일을 할 수 있습니다." 데블린이 덧붙였습니다.

세포 간 접착을 위해 연구진은 로봇 장치 주변에 자석을 통합했는데, 이 자석을 돌리면 다른 로봇을 끌어당길 수 있습니다.

연구자들은 로봇을 시험하면서 신호 변동(로봇에 전송되는 신호의 변화)이 로봇이 필요한 모양과 형태를 취하는 능력에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. Campàs는 "우리는 이전에 살아있는 배아에서 세포가 생성하는 힘의 변동이 고체와 같은 조직을 액체 조직으로 바꾸는 데 중요하다는 것을 보여주었습니다. 그래서 우리는 로봇에 힘의 변동을 인코딩했습니다."라고 말했습니다.

로봇 집단에서 신호 변동과 단위 간 힘의 상호작용은 단단히 뭉쳐 움직이지 않는 집단과 더 유동적인 집단의 차이입니다. "기본적으로, 두 가지 모두, 특히 변동을 증가시키면 더 유동적인 소재를 얻게 됩니다." 데블린이 말했습니다. 이를 통해 집단은 모양을 바꿀 수 있습니다. 형성되면 힘 변동을 끄면 집단이 다시 경직됩니다.

중요한 점은, 이러한 신호 변동으로 로봇 집단이 신호가 계속 켜져 있고 로봇이 모두 서로를 계속 밀어내는 경우보다 평균 전력이 낮은 상태에서 모양과 강도를 변경할 수 있다는 것입니다. "이것은 우리가 찾던 것이 아니라 로봇 행동에 대한 데이터를 수집하기 시작하면서 발견한 흥미로운 결과입니다." 호크스는 말했습니다. 그는 제한된 전력 예산으로 작동해야 할 수 있는 로봇을 설계하는 데 이것이 중요하다고 덧붙였습니다.

이 모든 것을 염두에 두고 연구자들은 로봇 그룹을 조정하고 제어하여 스마트 소재처럼 작동하도록 할 수 있었습니다. 그룹의 일부는 로봇 간에 동적 힘을 켜고 집합체를 유동화하는 반면, 다른 부분에서는 로봇이 단순히 서로 붙잡아 단단한 소재를 만듭니다. 로봇 그룹 전체와 시간이 지남에 따라 이러한 행동을 조절하여 연구자들은 무거운 하중을 지탱할 수 있지만 물체를 재형성하고 조작하고 심지어 자체 복구할 수 있는 로봇 소재를 만들 수 있었습니다.

현재, 개념 증명 로봇 집단은 소수(20)의 비교적 큰 유닛으로 구성되어 있지만, 현재 EPFL 조교수인 Campàs 연구실 박사후 연구원 Sangwoo Kim이 수행한 시뮬레이션에 따르면, 이 시스템은 더 많은 수의 소형 유닛으로 확장하여 재료와 더 유사한 측면을 구현할 수 있는 것으로 나타났습니다.

이 논문에 따르면, 로봇공학을 넘어 이와 같은 로봇 집단은 "활성 물질의 상 전이 연구, 입자 시스템의 활성 역학적 특성 연구, 잠재적으로 생물학적 연구에 대한 가설 정의를 도울 수 있습니다." 현재의 제어 및 머신 러닝 전략과 결합하여 이러한 로봇 집단과 협력하면 아직 발견 및 이해되지 않은 로봇 소재에서 새로운 역량을 창출할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250221171339.htm