갯가재·벼룩의 동작 원리 응용한 ‘초탄성 토크 역전 매커니즘’

기존 소프트 로봇의 속도 및 힘 한계 극복 성과 거둬

서울대학교 공과대학은 기계공학부 조규진 교수(인간중심 소프트 로봇기술 연구센터장) 연구팀이 고무와 같이 부드러운 재료로 이뤄진 로봇 몸체가 빠르고 강한 동작을 구현하는 ‘초탄성 토크 역전 매커니즘(Hyperelastic torque reversal mechanism, HeTRM)’을 개발했다고 밝혔다.

자연의 원리에서 영감을 받아 소프트 로봇의 새 가능성을 연 이번 연구 성과는 1월 29일에 로봇 분야의 저명한 학술지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’에 게재됐다.

갯가재가 단단한 먹이를 부술 때 날리는 주먹의 속도는 시속 약 90km/h에 달하며, 벼룩은 몸길이의 200배 이상 높이로 점프할 수 있다. 조규진 교수는 “부드러운 몸체의 생명체가 순간적으로 강한 힘을 내는 비결은 근육이 팔 또는 다리에 가하는 회전력의 방향을 순식간에 전환할 수 있는 토크 역전 매커니즘”이라고 설명했다. 그리고 “이전에 우리 연구진이 벼룩의 점프 원리를 응용해 땅 위에서뿐만 아니라 물 표면에서도 높게 점프하는 로봇을 개발했는데, 여기서 한 걸음 더 나아간 이번 연구는 고무처럼 말랑말랑한 재료로 강력한 운동 성능을 구현했다는 점에서 의의가 크다”고 평가했다.

연구팀은 말랑말랑한 탄성중합체(Elastomer)가 응축될수록 급격히 단단해지는 재료 고유의 특성에서 ‘초탄성 토크 역전 매커니즘’의 핵심 원리를 발견했다. 부드러운 관절의 한쪽 부분을 집중적으로 응축시킬 경우, 임계점에 이르러 저장된 에너지를 순간적으로 방출하는 초탄성재료의 특징을 활용해 소프트 로봇 기술로 발전시킨 것이다. 연구팀에 따르면 모터와 힘줄 한 쌍을 유연 관절에 연결한 간단한 구조만으로도, 마치 자연의 섬모가 반복적이고 강력한 굽힘 운동을 하듯 유연 관절을 강한 힘으로 반복해서 빨리 움직일 수 있다.

연구팀은 단순히 이론적 성과에 그치지 않고 이번 기술의 다양한 응용 가능성도 제시했다. 떨어지는 탁구공을 순식간에 잡아내는 소프트 그리퍼(Soft gripper), 모래밭 같은 험지에서도 강력한 추진력으로 기어가는 로봇, 문어 다리처럼 물체를 순식간에 감싸 쥐는 로봇 등 ‘초탄성 토크 역전 매커니즘’이 구현하는 빠르고 강한 동작을 활용한 사례를 선보였다. 나아가, 구조가 의도되지 않은 강한 힘을 받을 때 스스로 접촉을 차단하는 기계적 퓨즈도 구현했다.

연구의 공동 주저자인 최우영 연구원과 김웅배 연구원은 “손목을 탁 치면 순식간에 휘감는 요술팔찌 장난감은 구조적으로 안정적인 두 지점을 빠르게 오가는 현상(snap-through)을 이용한 예인데, 이러한 쌍안정 구조(bistable structures)를 로봇에 적용해 빠른 동작을 구현하고자 하는 시도들이 많이 이뤄지고 있다”며 “이번 연구는 구조적 설계 대신 재료의 특성을 활용해 해당 동작을 구현함으로써 소프트 로봇 기술의 새로운 가능성을 제시했다”고 연구의 의미를 짚었다.

연구 책임자인 조규진 교수는 “이번에 개발한 매커니즘은 소프트 로봇의 설계 및 활용 범위를 한 차원 넓혀줄 것”이라며 기대감을 나타냈다.

한편 최우영 연구원은 서울대학교 기계공학과에서 석사학위를 취득한 후 네이버랩스에서 로봇 소프트웨어 엔지니어로 재직 중이다. 현재는 로봇 서비스의 확장성을 고려한 범용 소프트웨어 플랫폼 개발에 주력하고 있다.

김웅배 연구원은 서울대학교 기계공학과에서 박사학위를 취득한 뒤, 한국과학기술연구원(KIST)에서 연구책임자로서 소프트 로봇 분야의 연구를 이어가고 있다. 현재 독일 KIST 유럽연구소에서 경량 소프트 로봇 개발과 국제 협력 과제 추진을 담당하고 있으며, 올해 중 KIST 본원으로 복귀해 휴머노이드 연구단에 합류할 예정이다.

참고사항

비디오 링크(Youtube) : https://www.youtube.com/watch?v=LhciFQtB8Mo
Press Package : https://1drv.ms/f/s!AlxXZ6_NAL3KgvhnKioJq4ag_JhQUQ

웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/