‘내재된 에너지’를 활용한 소프트 로봇 강화, 새로운 가능성을 열다

로봇공학은 빠르게 성장하는 시장이며, 예상되는 2024년 945억 4천만 달러에서 2034년에는 3,725억 9천만 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다. 

산업용 로봇이 현재 이 성장의 선두에 있습니다. 오늘날, 3.4백만 대가 넘는 산업용 로봇이 우리의 삶을 더 편리하게 만들고 있습니다. 산업 기업들은 또한 향후 5년간 자본의 25%를 산업 자동화에 투자할 계획입니다.

로봇공학이 계속해서 주목받음에 따라, 로봇공학의 하위 분야도 연구자들의 관심을 끌고 있습니다. 산업 자동화를 넘어선 응용 분야에서 로봇에 대한 수요가 증가함에 따라, 소프트 로봇공학 분야에 대한 관심이 점점 커지고 있습니다.

이 로봇들은 뱀, 지렁이, 장어, 문어 등 자연에 존재하는 부드럽고 유연한 몸체의 이동 메커니즘을 모방합니다. 

소프트 로봇은 생물학적 구조에서 영감을 얻어 이 부드러운 몸체의 부드럽고 복잡한 움직임을 구현합니다. 전통적인 로봇처럼 단단한 금속 부품을 사용하는 대신, 소프트 로봇 은 일반적으로 젤과 고무와 같은 유연한 재료로 만들어집니다. 이것은 로봇이 복잡한 환경에 적응하고 인간과 안전하게 상호작용할 수 있게 합니다.

구동을 위해 열 자극, 전기 신호, 공기 압력 등 다양한 방법이 활용됩니다. 이들의 활성화 원천은 보통 로봇 본체 외부에 위치하며 움직임을 제어합니다.

이 로봇들은 적응성 및 향상된 안전성이라는 이점을 제공합니다. 유연하고 가벼운 소재의 사용은 특히 부상 위험을 감소시켜 인간과 직접적인 상호작용에 적합하게 만듭니다. 이것은 의료 및 웨어러블 기술과 같은 분야에서 크게 유용합니다.

유연한 관절과 소프트 그리퍼를 갖추면 이러한 로봇은 쉽게 구부리고, 비틀고, 늘어날 수 있습니다. 생물학적 움직임을 수행할 수 있는 능력은 인간에게 안전하지 않을 수 있거나 높은 제어 정밀도가 요구되는 작업에 활용될 수 있습니다. 구조적 유연성과 손재주 덕분에 깨지기 쉬운 물체를 다루거나 섬세한 작업을 수행하는 데에도 적합합니다.

하지만 물론, 소프트 로봇은 제한된 강도, 낮은 정밀도, 낮은 내구성, 제조 및 확장의 어려움, 그리고 고급 알고리즘 및 광범위한 센싱 시스템의 필요성 등 여러 과제에 직면합니다.

하지만 소프트 로봇의 능력이 연부 생물체와 밀접하게 일치한다는 점을 고려하면, 이들은 의료, 농업, 구조·구난, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 유망한 기술입니다.

이미 여러 유망한 소프트 로봇이 개발되었습니다. 예를 들어, 하버드의 촉수 로봇은 해파리와 같은 소프트 그리퍼가 곱슬머리의 메커니즘을 모방하여 부드럽게 깨지기 쉬운 물체를 잡을 수 있습니다.

의료 분야에서는 한국과학기술원(KAIST)의 K-FLEX가 흉터 없는 내시경 수술을 수행할 수 있는 능력을 가지고 있으며, MIT의 바이오닉 하트는 의료 전문가가 심혈관 질환을 연구하고 환자에게 최적의 치료 방안을 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

소프트 로봇은 또한 해양 탐사에 활용되고 있습니다. 몇 년 전, 중국 연구진은 자가 전원을 갖춘 소프트 로봇을 발표했으며, 이 로봇은 마리아나 해구와 같은 가장 깊은 지점에 도달할 수 있습니다. 우주 탐사와 관련해서는 NASA가 지원하는 굴착 소프트 로봇이 모래 지형을 탐색할 수 있으며, 언젠가 목성의 위성을 탐사하기 위해 보내질 수도 있습니다.

소프트 로봇에 대한 연구가 진전됨에 따라, 이들은 다양한 응용 분야에서 경직된 로봇을 대체할 것으로 예상됩니다. 

소프트 로봇 종의 진화

코넬 공학의 새로운 연구에서 소프트 바디 전체에 통합된 모듈식 전력 시스템을 갖춘 무선 지상 크롤링 로봇을 발표했습니다. 

이 벌레 로봇을 만들기 전에, 연구실은 코넬 공학의 Archer 그룹과 협력하여 해파리 로봇을 제작했습니다. 두 로봇은 수성 소프트 로봇의 직접적인 후속이며, 6년 전 발표되었습니다. 

2019년, 코넬 대학교 연구원들은 논문¹ “Electrolytic vascular systems for energy-dense robots”을 발표했습니다. 레독스 흐름 배터리를 모방한 이 시스템은 유압 힘 전달, 구동, 에너지 저장 기능을 하나의 설계에 결합했으며, 로봇의 에너지 밀도를 높여 최대 36시간 동안 작동할 수 있게 했습니다. 

이를 위해 연구원들은 산호초 환경을 활공하는 데 물결치는 부채 모양의 지느러미를 사용하는 라이언피시에서 영감을 얻었습니다.

당시 연구원들은 “수압 유체에 전기화학적 에너지 저장을 사용하는 것이 향후 로봇 설계에서 에너지 밀도, 자율성, 효율성 및 다기능성을 향상시킬 수 있다”라고 언급했습니다.

몇 달 전, 새로운 논문², “고용량 해파리 로봇을 위한 수성 배터리의 다기능 사용”이 발표되었습니다. 이번에는 RFB가 해파리 형태로 형성되어 에너지의 다기능 사용을 가능하게 했습니다. 

해파리는 주로 “메소글레아”라는 물질로 구성되어 있으며, 이는 내부 골격 역할을 합니다. 이 물질은 해파리 몸을 탄력 있게 만들고 근육 수축으로 변형된 후 형태를 복구하는 데 도움을 줍니다. 메소글레아는 피브릴린을 함유한 미세섬유로 구성되어 있어 해파리가 근육에 힘을 공급하고 움직이며 먹이를 섭취할 수 있게 합니다.

이 로봇은 부피 및 면적 에너지 밀도가 증가된 RFB만으로 구동되어, 주로 액체로 구성된 전기화학적으로 에너지 밀도가 높은 UUV의 긴 작동 수명을 가능하게 했습니다.

이제, 연구³ 가 배터리 개발 및 설계에 의해 구동되어, 육상 생명체가 진화한 것처럼 더욱 발전했습니다.

이전 프로젝트와 이번 새로운 프로젝트를 이끈 기계·항공우주학 교수인 Rob Shepherd에 따르면:

“이것이 육상 생명이 진화한 방식이다. 물고기에서 시작해서, 그 다음에 땅에 지탱되는 단순한 유기체가 된다. 벌레는 단순한 유기체이지만 자유도가 더 많다.”

이전 로봇에 에너지를 저장하고 구동하던 수압 유체, 즉 “로봇 혈액”이 새로운 로봇 종에도 지속되고 있습니다. 이번에는 연구원들이 설계를 더욱 개선하여 배터리 용량과 전력 밀도를 높였습니다.

Shepherd가 언급했듯이, 해파리는 무게 대비 훨씬 더 큰 용량을 가지고 있습니다. 이것은 로봇 물고기의 이동 시간이 실제 물고기보다 길어졌음을 의미합니다. 이제 그들의 첫 번째 지상 버전은 벌레이며, 물속에서는 부력으로 지지받고 골격이 필요 없어 강직할 필요가 없습니다.

세라믹이 소프트 로봇에 촉각 및 온도 감각을 확대하는 데 핵심인지 알아보려면 여기를 클릭하세요.

내재된 에너지로 구동되는 소프트 로봇

로봇의 민첩성에 대한 수요가 증가함에 따라 복잡성도 증가합니다. 이는 센싱 밀도와 자유도(DoF)의 증가를 의미하며, 자유도는 물체의 독립적인 움직임을 말합니다.

그 결과, 로봇의 전력 소비도 증가할 가능성이 높으며, 이는 에너지 용량을 중요한 고려 요소로 만듭니다.

여기서 내재된 에너지가 등장합니다. 이는 내장된 전원 공급원을 다기능적으로 활용하여 시스템 수준의 에너지 밀도를 향상시키는 설계 전략입니다. 이 접근 방식은 기본적으로 전원 공급원을 기계 본체에 포함시켜 비용과 무게를 줄입니다.

Organic Robotics Lab에서 만든 모델러 벌레 로봇과 그들의 해파리 로봇은 이 ‘내재된 에너지’의 장점을 모두 보여줍니다. 

배터리에 저장된 에너지를 로봇 구조와 기계의 필수 부분으로 구현함으로써 연구원들은 더 나은 결과를 얻을 수 있었습니다. 연구는 다음과 같이 언급했습니다:

“전원 공급원을 모터 구동 텐던 액추에이터 모듈에 내장하면 장시간 동안 유용한 작업을 수행할 수 있는 인공 근육 유닛을 로봇에 구성할 수 있습니다.”

두 로봇 모두 두 가지 화학 성분이 액체에 용해되어 제공하는 에너지를 저장하는 전기화학 시스템인 레독스 흐름 배터리(RFB)를 특징으로 합니다. 

해파리 형태 로봇의 경우, RFB가 텐던과 함께 제작되었습니다. 텐던을 당기면 종 모양이 변하면서 로봇을 위로 밀어 올리고, 종이 이완되면 다시 가라앉습니다. 

더 중요한 점은 해파리 로봇이 아연 요오드화물(ZnI2)과 아연 브롬화물(ZnBr2)이라는 두 개의 레독스 배터리를 갖추고 있다는 것입니다. 한 배터리의 요오드에 브롬을 첨가하여 이온 전달을 향상시켰으며, 이로 인해 배터리 용량과 전력 밀도가 증가했습니다. 그 결과 해파리 로봇은 더 빠르고 민첩해졌으며, 약 90분의 작동 수명을 가졌습니다.

이제 배터리 전기 기판에 발생하는 수지상 성장 문제를 피하기 위해, 연구원들은 그래핀을 활용했습니다. 그래핀을 적용함으로써 아연의 결정면과 보다 고르게 도금되는 것을 더 잘 맞출 수 있었습니다. 

벌레 로봇은 구획화된 설계를 특징으로 합니다. 벌레의 몸체는 서로 연결된 여러 포드로 이루어져 있으며, 각 포드에는 벌레가 형태를 압축하고 확장할 수 있도록 모터와 텐던 액추에이터가 포함되어 있습니다. 각 포드에는 양극액에 잠긴 양극액 파우치가 쌓여 있습니다.

설계의 핵심 요소는 건식 접착 방식을 사용해 나프온 분리막을 벌레의 실리콘-우레탄 공중합체 몸체에 자동으로 결합한 것이었습니다. 이 분리막은 양극액과 음극액을 분리하면서 전하가 이동하도록 하여 모터를 통해 전자를 구동합니다.

“수압으로 구동되는 로봇이 많이 있지만, 우리는 수압 유체를 배터리로 사용하는 최초의 사례이며, 이는 배터리가 시스템에 에너지를 제공하고 움직이는 힘을 제공하는 두 가지 역할을 하므로 로봇의 전체 무게를 줄입니다. 따라서 거의 모든 에너지가 수압인 벌레와 같은 로봇은, 그래서 장거리 이동이 가능합니다.”

– Shepherd

벌레 로봇을 테스트한 결과, 연구원들은 이 로봇이 지면을 천천히 이동하고 수직 파이프를 위아래로 움직일 수 있음을 발견했습니다. 로봇 벌레는 폐쇄된 곡선 경로를 탐색하고 오르내릴 수 있지만, 속도는 다소 느리지만 다른 수압 구동 벌레 로봇보다 빠릅니다. 한 번 충전으로 벌레는 35시간 동안 105미터를 이동합니다.

연구원들에 따르면, 벌레는 길고 좁은 통로와 같은 제한된 환경 탐사 및 잠재적인 수리 작업에 활용될 수 있습니다. 해파리의 경우, 해양 탐사에 활용될 수 있습니다. 

해군 연구소와 에너지부 기본 에너지 과학 프로그램의 지원을 받아, 이 연구는 시작에 불과하며 향후 연구는 완전 액체형 RFB에 초점을 맞출 것입니다. 연구는 특히 고에너지 밀도와 저비용을 가진 폴리설파이드-요오드 배터리가 소프트 로봇 응용에 유망하다고 언급했습니다.

궁극적으로 팀은 고용량 내재 에너지 로봇을 구축하는 것을 목표로 합니다. 이러한 미래 로봇은 골격을 갖추고 심지어 걸을 수 있어 인간과 유사한 로봇이 될 것입니다.

“불완전한 유기체이지만, 여전히 꽤 잘 작동하고 있다.”

– Shepherd

관련 기업

이제 로봇 분야를 발전시키는 몇몇 상장 기업을 살펴보겠습니다. 

1. iRobot Corporation

글로벌 소비자 로봇 기업인 iRobot은 내구성 있는 로봇의 설계, 제작 및 판매에 관여하고 있습니다. 제품으로는 Roomba, Braava, Root가 있습니다. iRobot은 전 세계적으로 수천만 대의 로봇을 판매했습니다.

시가총액 2억 3천만 달러인 iRobot 주식은 현재 주당 7.59달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 2.45% 하락했습니다. EPS (TTM)는 -4.60이며, P/E (TTM) 비율은 -1.64입니다.

최근 회사는 2024년 4분기 예비 재무 결과를 보고했으며, 매출 1억 7100만 달러와 GAAP 영업 손실 5900만 달러를 예상하고 있습니다. 또한 2024 회계연도 말 현금 및 현금성 자산이 약 1억 3400만 달러가 될 것으로 예상합니다.

CEO Gary Cohen은 “2025년 신제품 출시 이전에 판매 촉진을 위한 계절 프로모션 지출이 예상보다 높았다”라고 말했습니다. 그는 또한 iRobot이 “혁신, 개발 및 우리 로봇을 구축하는 방식을 근본적으로 바꾸었다”며, “풍부한 기능을 갖춘 로봇으로 소비자를 흥분시키고 제품 경험을 향상시키기 위해 설계된” 예정된 제품 출시가 올해 출시될 예정이라고 전했습니다.

2. Teradyne

자동화 테스트 장비 및 로봇 솔루션의 글로벌 공급업체인 Teradyne은 반도체, 무선 제품, 저장·우주·회로 기판을 포괄하는 시스템, 그리고 로봇(로봇 팔, 자율 이동 로봇, 고급 로봇 제어 소프트웨어) 네 개 부문을 통해 운영됩니다.

이 회사는 전 세계에 80,000대 이상의 첨단 로봇 시스템을 배치했으며, 첨단 로봇 및 자동화에 7억 달러 이상을 투자했습니다. Teradyne의 MiR 로봇은 내부 운송 및 물류 처리를 간소화하고, 협동 로봇은 다양한 응용 분야를 지원합니다. 자동화 솔루션은 기업이 기계의 힘을 통합하여 운영 효율성을 향상시킬 수 있게 합니다.

시가총액 187억 4천만 달러인 Teradyne 주식은 현재 주당 116달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 8.61% 하락했습니다. EPS (TTM)는 3.32이며, P/E (TTM) 비율은 34.68입니다. 회사는 배당 수익률 0.42%를 지급합니다.

2024년 4분기에 회사는 매출 7억 5천3백만 달러를 보고했으며, 그 중 9천8백만 달러는 로봇 부문에서, 나머지는 반도체 부문에서 발생했습니다. 해당 분기의 GAAP 순이익은 1억 4천6백3십만 달러이며, 희석 주당 0.90달러였습니다.

CEO Greg Smith는 이 성장을 강력한 AI 컴퓨팅 및 관련 메모리와 모바일 및 자동차/산업 부문의 기대 초과에 기인한다고 설명했습니다. 매출 가속이 예상됩니다. Teradyne은 고객 경험을 향상하고 운영 효율성을 높이기 위해 로봇 사업을 전략적으로 재배치할 계획입니다.

3. Zimmer Biomet

글로벌 의료 기술 기업인 Zimmer Biomet (ZBH ) 은 바이오제제, 스포츠 의학, 사지, 외상 제품, 외과 제품 및 데이터, 데이터 분석, AI를 활용하는 일련의 로봇 기술에 관여하고 있습니다. 

시가총액 220억 달러인 Zimmer Biomet 주식은 현재 주당 110.10달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 4.72% 상승했습니다. EPS (TTM)는 5.25이며, P/E (TTM) 비율은 21.07입니다. 회사는 배당 수익률 0.87%를 지급합니다.

2024년 3분기에 회사는 순매출 18억 2400만 달러를 보고했으며, 이는 전년 대비 4% 증가한 수치이며, 순이익은 2억 4910만 달러였습니다. 해당 분기의 희석 주당 순이익은 1.23달러였으며, 조정 희석 주당 순이익은 1.74달러였습니다. 이 “강력한 실적”에 이어 CEO Ivan Tornos는 “수백만 명의 통증을 완화하고 삶의 질을 향상시키는 사명”을 지속적으로 추진하겠다고 말했습니다. 

이 기간 동안 회사는 전 고관절 치환을 위한 AI 기반 수술 가이드 시스템에 집중하는 의료 기술 기업 OrthoGrid Systems를 인수했습니다. 또한 발·발목 질환 치료를 위한 11억 달러 규모의 거래로 의료기기 기업 Paragon 28을 인수할 예정입니다.

결론

자동화와 효율성에 대한 수요가 증가함에 따라 로봇공학의 인기도 상승하고 있습니다. 이러한 강력한 성장 배경 속에서 소프트 로봇공학 분야는 많은 혁신을 이루며, 의료, 탐사 및 산업 자동화 분야에 새로운 응용을 열어가고 있습니다. 

생물에서 영감을 얻은 적응성과 내재된 에너지를 결합한 소프트 로봇공학의 진화는 내구성과 에너지 효율성이라는 오랜 한계를 극복할 잠재력을 가지고 있습니다. 정부 지원 이니셔티브에 힘입은 연구원들이 로봇 설계와 다기능 전원 공급원을 지속적으로 개선함에 따라, 이러한 기계는 점차 현실화되어 접근성, 효율성 및 안전성을 향상시킬 것입니다.

소프트 로봇이 폼 유체학으로부터 어떻게 혜택을 받을 수 있는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.