3D 프린팅과 생체모방으로 더 안전한 로봇을 만들 수 있을까?

2024년 7월 Advanced Intelligent Systems에 발표된 연구는 근육에서 영감을 얻은 부드러운 로봇 구동기를 소개했습니다. 고무 구조를 3D 프린팅하고 모터로 비틀어 늘어나거나 줄어들게 하는 방식입니다. 실제 근육 조직을 사용하는 장치는 아니며, 부드러운 구조와 작동 중 강성 변화를 함께 구현하는 데 초점을 맞췄습니다.

소프트 로봇이란

소프트 로봇은 변형하기 쉬운 재료와 구조를 활용합니다. 원문의 non-compliant는 이 문맥에서 잘못된 표현으로, 부드러운 구조는 기계적으로 순응성이 높은 compliant 구조에 가깝습니다. 좁거나 굽은 공간에 적응할 가능성이 있지만 모든 상황에서 단단한 로봇을 대체하지는 않습니다. 원문이 제시한 2029년까지 연평균 55.4% 성장률은 시장 전망치이며 확정된 결과가 아닙니다.

기존 구동기의 한계

딱딱한 모터와 전달 장치는 부드러운 로봇의 변형을 제한할 수 있습니다. 필요한 동작에 따라 여러 구동 장치를 사용하면 무게와 제어 복잡성도 늘어납니다.

다만 움직임의 방향마다 반드시 별도 모터가 필요한 것은 아닙니다. 기구 설계와 전달 방식에 따라 하나의 구동원이 여러 동작을 만들 수도 있습니다.

생체모방으로 구동기 설계 개선

연구는 근육의 수축과 강성 증가에서 아이디어를 얻었습니다. 장치는 구동에 따라 길이와 강성이 변하며 힘을 전달합니다. 이는 늘어나면서 동시에 수축한다는 뜻이 아니라, 서로 다른 상태에서 변형과 강성이 함께 달라진다는 의미입니다.

연구진

노스웨스턴대 McCormick 공과대학의 Ryan Truby 연구팀이 이 연구를 수행했습니다. 논문 저자는 Taekyoung Kim, Pranav Kaarthik, Ryan L. Truby입니다. Donald Brewer는 Truby의 교수 직함에 포함된 이름이며 별도의 연구 참여자가 아닙니다. McCormick 공과대학 역시 노스웨스턴대와 별개 대학이 아닙니다.

새로운 구조의 구동기

연구팀은 HSA(handed shearing auxetic)라는 원통형 구조를 3D 프린팅했습니다. 이 구조는 비틀면 길어지고 팽창하는 특성을 가집니다. 내부의 유연한 벨로즈 축이 토크를 전달하며, 휘어질 수 있는 구동 장치를 구성합니다.

유연한 재료 선택

기존의 단단한 프린팅 수지 대신 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 사용했습니다. 휴대전화 케이스 등에도 쓰이는 이 재료는 유연성과 변형 능력을 제공합니다. 재료를 바꾸는 것뿐 아니라 구조와 제조 조건을 함께 조정해야 했습니다.

구동기 하나를 돌리는 모터

이 구동기는 하나의 모터로 구조를 비틀어 신장과 수축을 유도할 수 있습니다. 다만 논문 속 기어가는 로봇 전체에는 양끝에 서보로 작동하는 고정 모듈 두 개도 사용됐습니다. 따라서 완성된 로봇 전체가 모터 하나만으로 모든 동작을 한다고 설명하면 부정확합니다.

변형과 동작

유연한 구조는 굽은 경로에 적응하는 데 도움이 됩니다. 구동 방식의 단순화는 부품 수나 제어 부담을 줄일 가능성이 있지만, 모든 방향의 움직임을 자유롭게 제어하거나 모든 장치의 비용을 줄인다는 뜻은 아닙니다.

기어가는 로봇 시제품

연구팀은 길이 약 26cm의 벌레형 로봇을 제작했습니다. 구동기의 밀고 당기는 움직임과 양끝 고정 모듈을 이용해 전진과 후진을 수행했으며, 보고된 속도는 분당 약 32cm였습니다.

공개된 실험에서는 관처럼 좁고 굽은 환경을 이동했습니다. 이는 정해진 실험 조건에서의 시연으로, 모든 복잡한 배관이나 실제 시설에서의 성능을 보장하지는 않습니다.

구동기는 약 45%의 신장을 보였으며, 초기 신장 0mm의 차단 조건에서 최대 약 8N의 미는 힘이 측정됐습니다. 신장률과 차단 힘은 서로 다른 측정값이며, 모든 작동 위치에서 같은 힘을 낸다는 의미는 아닙니다.

인공 이두근 시제품

또 다른 시제품은 이두근과 비슷한 들어 올리기 동작을 구현했습니다. 힘을 측정하는 로드셀과 선형 가이드 등을 사용해 성능을 평가했습니다. 사람의 근육 전체를 재현한 것이 아니라 기계적 기능 일부를 모사했습니다.

유연한 축과 고무 구조는 비선형 점탄성 반응과 히스테리시스를 보였습니다. 이는 힘과 변위가 작동 이력에 따라 달라질 수 있다는 뜻입니다. 그 자체가 사람의 팔처럼 물체를 감싸 쥐는 기능을 증명하지는 않습니다.

인공 이두근은 실험에서 500g의 추를 5,000회 연속 들어 올렸습니다. 이 결과는 해당 하중과 조건에서 반복 작동이 가능했음을 보여주지만, 무제한 수명이나 모든 작업에서의 내구성을 보장하지는 않습니다.

성능 평가

연구팀은 토크, 밀고 당기는 힘, 변위와 반복 동작 등을 평가했습니다. 이런 측정은 설계의 성능과 한계를 이해하는 데 필요합니다. 힘과 압력은 다른 물리량이므로 구분해야 합니다.

이점

부드러운 구조와 비교적 간단한 제조 방식은 일부 로봇 응용에 장점이 될 수 있습니다. 실제 제품의 이점은 제어, 내구성, 비용과 안전성을 포함한 전체 시스템 평가에 달려 있습니다.

더 안전한 로봇을 향해

사람과 함께 일하는 로봇은 충돌 시 가해지는 힘을 관리해야 합니다. 부드러운 재료는 일부 접촉 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 소프트 로봇이라는 이유만으로 어떤 상황에서도 안전하다고 볼 수는 없습니다.

가벼운 접촉에서 충격을 줄일 가능성이 있지만, 부상을 완전히 없애지는 못합니다. 모터의 힘, 움직이는 속도, 끼임 위험과 제어 실패 등을 함께 평가해야 합니다.

사람이나 동물 가까이에서 작동하는 장치에는 유연한 구조가 유용할 수 있습니다. 축산 등은 잠재적 응용이며, 이번 연구에서 해당 현장의 안전성과 효과가 검증된 것은 아닙니다.

낮은 재료비

연구팀은 작은 모터를 제외한 시제품 재료비가 약 3달러라고 설명했습니다. 이는 완성된 로봇의 판매가나 제조·제어·시험·유지관리 비용을 모두 포함한 금액이 아닙니다.

낮은 재료비는 실험과 개발의 접근성을 높일 수 있지만, 바로 누구나 구입할 수 있는 3달러짜리 로봇이 나온다는 뜻은 아닙니다.

일반적인 3D 프린터 활용

연구팀은 비교적 저렴하고 구하기 쉬운 데스크톱 3D 프린터로 TPU 구조를 제작했습니다. 그렇다고 모든 프린터와 설정에서 동일한 결과가 보장되는 것은 아닙니다. 재료, 출력 조건과 조립 방법을 맞춰야 합니다.

다른 시스템과 결합할 가능성

모듈형 구동기는 다양한 로봇 구조와 결합할 가능성이 있습니다. 실제 적용에는 하중, 치수, 제어 및 센서의 적합성을 검토해야 합니다. 모든 기존 설계에 수정 없이 바로 통합할 수 있는 장치는 아닙니다.

관련 시장의 기업들

소프트 로봇과 보조 로봇 분야에는 여러 기업이 참여합니다. 원문은 상위 다섯 기업이 시장의 40%를 차지한다는 추정치를 제시하지만, 시장 정의와 기준 시점이 불분명하므로 확정된 점유율로 보기 어렵습니다. Parker Hannifin, SRT, Myomo, Bionik Laboratories, Panasonic 등은 서로 다른 제품과 시장에 초점을 둡니다.

1. Cyberdyne

Cyberdyne은 로봇과 정보 기술을 활용한 신체 보조 장치 등을 개발하는 일본 기업입니다. 모든 제품이 유연한 소프트 로봇으로 분류되는 것은 아닙니다.

2023년 3월 종료 회계연도 매출은 약 32억8,900만 엔으로, 전년도 약 21억5,000만 엔보다 약 53% 증가했습니다. 이 수치는 과거 회사 전체 실적이며 이번 연구 구동기의 도입 효과가 아닙니다.

2. Soft Robotics

2024년 7월 당시 Soft Robotics는 부드러운 그리퍼와 3D 비전, AI를 결합한 자동화 솔루션으로 알려져 있었습니다. 물체를 인식하고 집어 분류하는 기능은 식품 처리 등 일부 생산 공정에서 활용될 수 있습니다.

다만 실제 정확도와 생산성은 대상 물체와 작업 조건에 따라 달라집니다. 이 회사가 이번 노스웨스턴대 구동기를 채택했다는 증거는 제시되지 않았습니다.

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdings는 의료 및 산업용 외골격 장치를 개발합니다. 의료용 제품은 재활 훈련이나 특정 사용자의 이동 보조 등 제품별 목적과 사용 조건이 있습니다.

외골격을 착용하면 누구나 더 많이 들거나 피로 없이 이동할 수 있다는 의미는 아닙니다. 이 기술은 신체의 손상을 자동으로 치료하는 장치도 아닙니다. 회사의 매출 성장과 특정 연구 기술의 상용화는 구분해야 합니다.

새 구동기의 잠재적 응용 기업

기존 로봇 기업은 새로운 구동 방식을 검토할 수 있습니다. 그러나 기술적 적합성, 비용과 임상·안전 요건을 충족해야 하며, 다음 기업이 실제로 이 연구 기술을 사용한다는 뜻은 아닙니다.

ReWalk Robotics

ReWalk는 일부 척수손상 사용자의 서기와 보행을 보조하는 외골격 시스템을 개발했습니다. 사용 대상과 훈련 요건이 있으며, 보조기 사용과 손상된 신경 기능의 회복은 구분해야 합니다.

ReWalk Personal 시스템에는 전동 다리 구조, 배터리와 손목형 무선 조작 장치 등이 포함됩니다. 기울기 센서와 특정 몸동작을 통해 보행을 제어하며, 적절한 평가와 훈련이 필요합니다. 목발 등 보조 도구와 사용자 조건도 중요하므로 최소 노력만으로 자동 보행이 가능하다고 일반화하면 안 됩니다.

ReWalk에 대한 일부 애널리스트의 매수 의견은 특정 시점의 평가이지 수익 보장이 아닙니다. AI나 생체모방 구동기의 도입이 제품 비용을 크게 낮출 수 있다는 생각도 아직 검증되지 않은 가능성입니다.

RightHand Robotics

RightHand Robotics는 물류와 소매 유통을 위한 로봇 피킹 시스템을 개발합니다. 비전, 소프트웨어와 그리퍼를 결합해 물품을 집고 옮기는 작업을 지원합니다.

회사는 NEVY 시상식에서 올해의 로봇 기업으로 선정된 바 있습니다. 수상 경력은 특정 응용의 성능이나 미래 수익을 보장하는 지표는 아닙니다.

생체모방 로봇의 가능성

근육에서 영감을 얻은 구조는 더 유연하고 활용하기 쉬운 로봇 개발에 도움이 될 수 있습니다. 이번 연구는 저렴한 재료와 3D 프린팅을 이용한 구동기의 가능성을 보여줍니다. 실용화에는 안전성, 내구성, 제어와 전체 비용에 대한 추가 검증이 필요합니다.

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