로보틱스
다중 스케일 흡입을 통한 로봇공학 발전
로봇과 로봇공학 연구는 끊임없이 진화하는 분야로, 우리의 프로세스를 보다 효율적이고 최적화하기 위해 새로운 길을 모색하고 있습니다. 이러한 노력과 탐구는 종종 우리 주변의 자연과 동물 왕국에서 영감을 받습니다. 예를 들어, 브리스톨 대학교의 과학자들은 오징어의 생물학적 빨판과 유사한 초적응 흡입 능력을 가진 로봇 흡입 컵을 개발했습니다.
오징어에서 영감을 받은 로봇의 흡입 메커니즘
모든 것은 브리스톨 로보틱스 연구소가 오징어의 생물학적 빨판 구조를 연구하면서 시작되었습니다. 이 빨판은 매우 높은 흡입력을 가지고 있으며, 가능한 가장 최적화된 방식으로 어떤 바위에도 고정될 수 있습니다. 이 연구는 다층 연성 구조와 인공 유체 시스템을 만들어내는 결과를 낳았으며, 이는 오징어의 근육 조직과 점액 구조처럼 작동할 수 있었습니다.
이 연구의 가장 중요한 성과에 대해 논의하면서, 논문 주요 저자인 티엔치 위는 다음과 같이 말했습니다. “가장 중요한 발전은 우리가 연성 재료를 사용해 표면 형태에 맞추는 기계적 순응과, 접촉면에 물을 퍼뜨려 흡입 적응성을 향상시키는 액체 씰을 결합한 효과를 성공적으로 입증했다는 점입니다. 이는 생물체가 적응형 흡입을 달성할 수 있는 비밀일 수도 있습니다.”
따라서 핵심 개발은 기존 인공 흡입 방식을 한 단계 끌어올려, 가장 어렵고 복잡한 표면에도 부착할 수 있는 적응형 흡입 영역에 진입한 것입니다. 이를 위해서는 다중 흡입 메커니즘이 필요했으며, 연구진은 이를 구현하는 방법을 보여주었습니다.
오징어 빨판 작동 방식을 더 잘 이해하기 위한 역사적 연구
오징어의 흡입 메커니즘을 이해하는 것은 오랫동안 과학계의 관심사였습니다. 연구자들은 오징어가 빨판을 독립적으로 움직이며 필요에 따라 물체를 잡을 수 있다는 것을 알고 있었습니다.
한 연구 리보르노 연구진에 의해 수행되었습니다. 이 연구는 10년 전보다 오래전 오징어를 조사했으며, 빨판의 측면과 가장자리가 독특하게 설계되어 있다는 것을 발견했습니다. 빨판에는 미세한 동심원 홈이 있어 물속의 거친 표면에서도 강력한 밀봉을 형성할 수 있었습니다.
유사한 홈이 상부에도 존재하여, 낮은 압력에서도 효과적이고 강력한 밀봉을 만들었습니다.
이 낮은 압력 현상을 더 조사하면서 연구자들은 빨판의 측면과 가장자리는 부드럽지만, 상부는 훨씬 더 단단하다는 사실을 밝혀냈습니다. 이러한 낮은 탄성은 국부적인 저압을 생성하는 데 기여하여 접착력을 뛰어나고 견고하며 효율적으로 만들었습니다.
이 발견 이후, 오징어 흡입 메커니즘을 로봇에 적용하려는 논의가 이어졌으며, 이제 그 노력은 결실을 맺고 있습니다.
다중 흡입 메커니즘과 그 해법!
연구진은 오징어와 같은 다중 흡입 메커니즘을 유기적인 기계적 순응과 조절된 물 씰의 결합을 통해 복제할 수 있다고 제안했습니다. 로봇 솔루션이 적용한 다층 연성 재료는 처음에 기판에 거친 기계적 순응을 생성했으며, 이는 결국 누출 구멍을 마이크로미터 수준으로 감소시켰습니다. 이러한 미세 구멍은 인공 유체 시스템에서 조절된 물 분비에 의해 밀봉되었습니다.
이 연구의 미래적 함의
연구진은 이 기술이 복잡한 건조 표면을 다룰 수 있는 로봇 그리퍼의 잠재적 적용 분야를 열어줄 수 있다고 강조했습니다. 다중 스케일 적응형 흡입 메커니즘은 보다 효과적이고 독특하게 적응하는 흡입 전략을 개발하는 데 중요하며, 이는 다양한 다목적 연성 접착 메커니즘을 구현하는 데 기여할 수 있습니다.
이 솔루션이 기존 솔루션보다 제공하는 향상을 지적하면서, 티엔치 위는 다음과 같이 말했습니다:
“현재 산업용 솔루션은 항상 작동하는 공기 펌프를 사용해 능동적으로 흡입을 생성합니다. 그러나 이는 소음이 크고 에너지를 낭비합니다.”
현재 솔루션은 펌프가 필요 없으므로 우수합니다. 개발자들이 예상한 대로, 이 솔루션은 다양한 불규칙한 물체를 효율적으로 잡을 수 있는 차세대 로봇 그리퍼를 이끌 것입니다. 팀은 또한 센서를 내장한 지능형 흡입 컵을 개발해 컵의 동작을 능동적으로 조절할 계획입니다.
이 연구와 제안된 솔루션은 확실히 획기적인 성과이지만, 과학 및 로봇공학 커뮤니티는 언제나 오징어에 영감을 받아 왔습니다.
놀라운 생물, 오징어
오징어의 유전자는 매우 독특하여 지구상의 거의 모든 생물과 크게 다릅니다. 오징어 DNA 연구에 따르면, 오징어는 약 33,000개의 유전자를 보유하고 있으며, 이는 인간보다 약 10,000개가 더 많습니다. 인간과 많은 다른 동물들은 유전 코드를 개선할 수 있지만, 오징어는 자신의 RNA를 스스로 편집할 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있습니다.
인간과 몇 가지 유사점도 존재합니다. 이러한 유사점은 오징어가 인간처럼 더 지능적으로 진화하는 데 도움을 주었습니다.
예를 들어, 오징어는 인간과 유사한 유전자를 보유하고 있어 뇌에 신경망을 형성합니다. 이 신경망은 다양한 상황에 적응하고 빠르게 학습하도록 합니다. 또한 RNA를 편집하는 능력은 적응력을 높여 심해의 극한 저온에도 견딜 수 있게 합니다.
시각적으로도 오징어는 큰 뇌를 가지고 있습니다. 그리고 인간처럼 폐쇄 순환계, 홍채로 보호되는 눈, 망막, 그리고 렌즈를 가지고 있습니다.
오징어는 최고 수준의 위장 능력을 가지고 있습니다. 이제 그들의 유전 코드가 해독되었으니, 과학자들은 이 능력이 어떻게 구현되는지 더 쉽게 파악할 수 있게 되었습니다. 오징어는 밀리초 단위로 피부 색을 바꾸며, 이는 신경과학자, 섬유 엔지니어, 구조 엔지니어에게 큰 영감을 줍니다.
오징어의 정신
오징어의 뛰어난 생리학, 특히 큰 뇌는 과학자들이 그들의 인지 과정을 더 깊이 연구하도록 동기를 부여했습니다.
2016년, 뉴욕시립대학 대학원 센터의 저명한 철학 교수이자 호주 시드니 대학교 과학·철학 교수인 피터 고드프리-스미스는 ‘다른 마음: 오징어, 바다 그리고 의식의 깊은 기원’이라는 책을 저술했습니다. 그는 다음과 같이 적었습니다:
“오징어와 그 친척(갑오징어와 오징어)은 무척추동물의 바다에서 정신 복잡성의 섬을 형성합니다. 약 10년 전 이 생물들을 처음 만난 이후, 나는 그들과 상호작용할 때 가능한 강력한 몰입감을 느끼게 되어 매료되었습니다.”
그 책에서 고드프리-스미스 교수는 일반적인 오징어가 몸에 약 5억 개의 뉴런을 가지고 있다고 강조했습니다. 이는 인간의 거의 1000억 개에 비해 적지만, 오징어는 간단한 미로를 탐색하고 시각적 단서를 효과적으로 활용해 두 개의 친숙한 환경을 구분하고 최적의 경로를 선택할 수 있을 정도로 충분히 지능적입니다.
지능과 독특한 생리학의 조합이 오징어를 다른 생물과 차별화합니다. 본질적으로 로봇공학은 지능형 기기가 복잡한 작업을 수행할 수 있는 상태를 달성하려고 노력해 왔으며, 오징어는 이러한 탐구의 영감이 되었습니다. 대학 연구진뿐 아니라 여러 유명 기업도 이 분야에 활발히 참여하고 있습니다.
#1. ABB
오징어의 능력을 모방하려는 관심을 지속해 온 기업 중 하나가 ABB입니다. 2018년, ABB Technological Ventures(ABB의 전략적 벤처 투자 부문)는 Whitesides Group에서 분사된 Soft Robotics와 파트너십을 체결했습니다.
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0-2B1Vn75Qg&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Frodinanews.co.uk%2F&feature=emb_imp_woyt
오징어 촉수의 기능에 영감을 받아 Soft Robotics는 센서나 전기기계 장치 없이 작동하는 폴리머 기반 연성 로봇 액추에이터를 개발했습니다. 이 회사는 계산 능력을 그리퍼 자체에 직접 내장하고, 인간 손의 연조직을 모방한 미세유체 채널을 포함한 독자적인 소재 혼합물을 개발했습니다.
다중 스케일 흡입을 고급 로봇에 통합하는 최신 개발은 이러한 기술의 효율성과 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다.
높은 지능과 인간과 유사한 정교한 눈 구조를 가진 오징어는 로봇공학에 큰 영감을 주었습니다. 올해 ABB는 스위스 기술 기업 Sevensense를 인수했습니다. Sevensense는 산업용 로봇에 시각 및 인지 능력을 부여해 이동성을 향상시키는 전문 기업입니다.
2023 회계연도에 ABB Group은 매출 322억 달러를 기록했으며, 연구개발에 13억 달러를 투자했습니다. 동시에 영업 이익률(EBITA)은 약 17%에 달했습니다.
#2. Festo
또 다른 사례로, 독일 로봇 기업인 Festo의 오징어 영감 로봇을 살펴볼 수 있습니다.
https://www.youtube.com/watch?v=WeEJrJNpvP0
원래 OctopusGripper라 불리던 이 로봇 장치는 빨판과 공기의 조합을 이용해 물체를 집고, 유지하며, 놓을 수 있었습니다. 이후 Tentacle Gripper로 명칭이 바뀌었습니다. 회사는 이 생체 모방 그리퍼를 연성 실리콘 구조라 설명하며, 공압으로 제어될 수 있다고 밝혔습니다. 압축 공기가 공급되면 그리퍼가 안쪽으로 굽어 물체를 단단히 감쌀 수 있습니다.
구조적으로 이 그리퍼는 실리콘 촉수 내부에 두 줄의 흡입 컵을 부착하고 있습니다. 작은 흡입 컵은 그리퍼 끝에 배치되어 수동적인 효과를 제공하고, 큰 흡입 컵은 진공으로 구동되어 물체가 그리퍼에 견고히 부착되도록 합니다.
Festo는 이 로봇을 Bionic Learning Network에서 개발한 두 개의 경량 공압 로봇, 즉 BionicMotionRobot과 BionicCobot에 테스트했습니다. 두 로봇 모두 운동학적 특성으로 인해 유연하며 무한히 다양한 강성 변화를 구현할 수 있었습니다.
인공 촉수가 연성 재료로 제작되었기 때문에 부드럽고 섬세하게 잡을 수 있었습니다. 회사는 이 솔루션이 미래형 협업 작업장에 큰 잠재력을 가지고 있다고 주장했습니다.
재무적으로 2023 회계연도는 회사에 있어 통합의 해였습니다. Festo의 보도 자료에 따르면, 매출은 전년 대비 약 4.3% 감소한 36억 5천만 유로 수준에 머물렀습니다.
매출 감소에도 불구하고, 회사는 연구개발 및 지역 시장 공급 확대에 지속적으로 투자했으며, 2023년 연구개발에 매출의 7.7%를 투입했습니다.
자연과 동물 왕국에서 영감을 얻는 로봇공학
오늘은 오징어 빨판에서 영감을 얻은 로봇 사례 하나를 살펴보았습니다. 그러나 보다 넓은 관점에서 보면, 우리는 우리 주변 전체 자연 세계에서 영감을 얻을 수 있습니다. 이미 여러 바이오 영감 로봇 프로젝트가 공개적으로 진행 중입니다.
예를 들어, 2024년 1월에 연구가 발표되었습니다. 이 연구는 등반 식물의 행동 적응 전략에서 영감을 받아, 구조화되지 않은 환경을 탐색할 수 있는 자율 성장 로봇을 소개합니다. 이러한 로봇은 등반 식물의 정점 싹을 모방해 센서가 장착된 팁을 통해 적층 적응 성장과 내장된 적층 제조 메커니즘을 조정합니다.
소프트 로봇 제조와 호환되는 소재에 관한 중요한 연구도 진행되었습니다. 미네소타 대학교 트윈 시티즈의 과학자와 엔지니어 팀은 식물에서 영감을 얻은 공정을 개발해 합성 소재 성장을 가능하게 했습니다.
이 솔루션은 연구자들이 복잡한 지형을 탐색할 수 있는 향상된 소프트 로봇을 제조하도록 도울 수 있습니다. 논문의 제1저자인 매튜 하우스라덴에 따르면, 연구진은 식물과 균류가 몸의 끝(뿌리 끝이나 새로운 싹)에서 물질을 추가하는 방식에 크게 영감을 받았다고 합니다. 연구진은 다음과 같이 말했습니다:
“우리는(연구팀) 식물과 균류가 몸의 끝에서 물질을 추가하는 아이디어를 차용해 이를 엔지니어링 시스템으로 전환했습니다.”
자연계는 우리가 상상할 수 있는 것보다 무한히 많은 변화와 전환을 겪어왔으며, 동물들은 수천 년에 걸쳐 살아남고 적응해 왔습니다. 우리는 그들의 놀라운 적응 기술을 면밀히 연구하고 더 자세히 관찰해야 합니다. 이를 진정한 정신으로 재현하려는 시도는 과학 및 기술 분야에서 우리가 상상할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 성과를 달성하도록 항상 도와줄 것입니다.
