적층 제조
인간과 같은 손: 새로운 적층 제조가 소프트 로보틱스를 실제로 만든다
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
소프트 로보틱스는 유연한 재료와 구조를 활용하는 로봇공학 연구 분야입니다. 새로운 적층 제조 기술은 더 복잡하고 변형 가능한 로봇 부품의 제작을 돕고 있습니다.
이 기사에서는 소프트 로보틱스 영역을 탐구하고, 최근 적층 제조의 발전이 어떻게 이 기술을 앞으로 나아가게 하는지 살펴봅니다.
소프트 로보틱스란 무엇인가?
소프트 로보틱스는 로봇과 연관된 딱딱한 움직임을 대체하여 살아있는 유기체의 물리적 특성을 더 가깝게 모방하는 기술을 도입하려는 시도입니다. 기존 로봇공학의 선형적이고 경직된 특성이 사라지고, 인간, 동물, 식물의 삶을 모방하는 정교한 모델이 자리 잡는 생체모방의 한 형태로 간주됩니다.
2023년 원문은 소프트 로보틱스 시장에 관한 상업적 전망을 소개했습니다. 2022년 7억 7,000만 달러 이상에서 2030년 약 220억 달러로 증가한다는 수치로, 두 시점 사이 8년간의 연평균 복합 성장률은 약 52%입니다. 이는 당시의 시장 전망입니다.
하버드 바이오디자인 연구소는 천, 종이, 섬유, 입자 같은 유연한 재료를 탄성체에 넣은 연성 유체 구동기를 설명합니다. 이러한 구동기는 가볍고 비교적 저렴하며 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 이는 소프트 로보틱스의 한 사례이지, 모든 소프트 로봇을 같은 구동기로 한정하는 정의는 아닙니다.
소프트 로보틱스의 일부 적용 사례
하버드 연구 페이지는 당시 미국에 편측 불완전마비가 남은 만성 뇌졸중 생존자 약 400만 명, 다른 선진국에 약 600만 명이 있다는 추정치를 제시합니다. 현재의 인구 집계는 아닙니다. 손 운동 기능 저하는 일상생활을 어렵게 할 수 있습니다. 연구소는 비용 부담을 줄이고 자립을 돕기 위해 모듈식이며 안전하고 휴대 가능한 가정용 손 재활·보조 장치를 연구하고 있습니다.
인용된 과거 문헌은 미국에서 심부전이 발생할 평생 위험을 약 20%로 추정했습니다. 하버드는 실험실용 심장 시뮬레이터와 연성 구동기를 이용한 직접 심장 압박 보조 장치인 DCC를 연구합니다. DCC는 혈액에 직접 닿지 않고 심장 운동을 기계적으로 돕는 방식입니다. 연구 개발이 곧 모든 환자에게 효과와 승인이 확립된 치료라는 뜻은 아닙니다.
소프트 로보틱스는 재활과 삶의 질 개선에 기여할 수 있습니다. 실제 가치는 성능과 안전성에 달려 있습니다. 다음은 이러한 연구를 지원하는 제조 기술입니다.
소프트 로보틱스에서의 3-D 프린팅 또는 적층 제조 기술
3D 프린팅 또는 적층 제조는 디지털 모델을 바탕으로 보통 재료를 층층이 더해 입체 물체를 만듭니다.
적층 제조 과정에서는 원하는 물체의 최종 형태가 완성될 때까지 재료의 연속적인 층을 쌓아가며 물체를 제작합니다.
각 층은 물체의 얇은 단면에 해당합니다. 이는 큰 소재에서 불필요한 부분을 제거해 원하는 모양을 얻는 절삭 제조와 다릅니다.
3D 프린팅에는 보통 디지털 3D 모델, 출력 준비 소프트웨어, 프린터가 필요합니다. 소비재, 산업 제품, 치과 부품, 보철물, 건축 모형, 화석 복원, 고대 유물 복제품, 법과학적 증거 재구성, 영화 소품 등에 쓰입니다.
2023년 11월 15일 취리히 연방공과대학교의 발표는 Inkbit과 함께 여러 고분자로 복잡한 로봇 구조를 한 번의 출력 과정에서 만드는 연구를 소개했습니다. 이는 이미 존재하던 소프트 로보틱스의 3D 프린팅 연구를 확장한 것이지, 그 분야 전체를 처음 가능하게 만든 것은 아닙니다.
Inkbit은 MIT 연구에서 출발한 기업입니다. ETH Zürich는 1855년에 설립된 스위스 취리히 연방공과대학교로, 그 안에 별도로 존재하는 과학기술대학을 뜻하지 않습니다.
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기술 상세
돌파구
이번 진전은 레이저 스캔 피드백을 이용하는 재료 분사 방식에 관한 것입니다. 종전 방식은 층 사이의 표면을 스크레이퍼로 고르게 만들어야 해 빠르게 경화하는 폴리아크릴레이트를 사용했습니다. 천천히 경화하는 고분자는 스크레이퍼에 달라붙을 수 있었습니다. 새 방식은 이러한 고분자도 활용하게 했습니다. 이전의 모든 3D 프린팅이 급속 경화 플라스틱에 한정됐다는 뜻은 아닙니다.
이점
- 연구에서 사용한 저속 경화 고분자는 우수한 탄성 특성을 보입니다.
- 이전에 사용한 재료보다 견고하고 오래가는 부품을 만들 수 있습니다.
- 천천히 경화되는 플라스틱을 사용하면 복잡하고 더 내구성 있는 로봇 부품을 3D 프린팅할 수 있습니다.
- 이 기술은 다양한 고품질 재료와 호환됩니다.
- 범위 확대로 부드럽고 탄성 있는 재료와 강성 재료를 결합하기가 쉬워졌습니다.
그리고 마지막으로,
- 이들은 원하는 위치와 방식으로 중공 구조와 섬세한 부품을 만들기 위한 요구 사항을 충족합니다.
응용
이러한 재료 선택은 소프트 로보틱스와 적층 제조를 결합할 가능성을 넓힙니다. 이점은 재료, 설계, 용도에 따라 달라집니다.
연구진은 뼈, 인대, 힘줄을 모방하는 고분자 구조를 갖춘 로봇 손을 한 번의 출력 과정에서 제작했습니다. 인간 손의 모든 생리적 특성을 재현한 것은 아닙니다. 단단한 부분과 탄성 부분은 서로 다른 고분자로 구성됩니다.
연구자들에 따르면, 천천히 경화되는 폴리머를 포함하지 못했다면 이 결과는 불가능했을 것입니다. ETH Zurich 로봇공학 교수 Robert Katzschmann의 그룹에 속한 박사과정 학생이자 연구 논문의 첫 저자인 Thomas Buchner는 다음과 같이 말했습니다:
“우리는 현재 천천히 경화되는 티올렌 폴리머를 사용하고 있습니다. 이 폴리머는 매우 우수한 탄성 특성을 가지고 있으며, 폴리아크릴레이트보다 굽힌 후 원래 상태로 복구되는 속도가 훨씬 빠릅니다.”
티올렌 고분자는 강성을 조절할 수 있고 빠르게 복원되어 탄성 인대 구조에 적합합니다. 연구진에 따르면 연성 로봇은 기존 금속 로봇보다 사람과의 접촉에서 부상 위험을 줄이고 깨지기 쉬운 물품을 다루는 데 유리할 수 있습니다. 실제 위험은 구동 방식과 사용 조건에도 달려 있습니다.
소프트 로보틱스와 적층 제조를 동일한 공정에 적용하기 위해, 연구진은 3D 프린팅 기술에 몇 가지 수정을 도입해야 했습니다. 그들은 각 프린트 층을 즉시 검사하여 표면 불규칙성을 감지할 수 있는 3D 레이저 스캐너를 프린터에 추가했습니다.
피드백 장치는 다음 층을 출력할 때 추가할 재료의 양을 계산해 측정된 표면 요철을 보정합니다. 이전 층을 깎아 평평하게 하는 대신 그 높낮이를 고려합니다.
Inkbit이 출력 기술을 개발했고, 취리히 연방공과대학교 연구진은 로봇 응용 사례를 만들고 저속 경화 고분자용 공정을 최적화하는 데 기여했습니다. 공동 연구는 Nature에 실렸습니다.
Inkbit: 프린팅 기술 스타트업
Inkbit은 2017년 다비데 마리니, 하비에르 라모스, 보이치에흐 마투시크가 설립했으며 미국 매사추세츠주 메드퍼드에 있습니다. 2023년 기사는 시리즈 B 투자를 받은 기업으로 소개했습니다. 플랫폼은 3D 프린팅과 머신 비전을 결합하며, 2023년 11월에는 한 번의 출력 과정에서 제작한 다기능 시스템과 로봇이 공개됐습니다.
Inkbit은 2023년 11월 7일 쇼어 경도 약 50A의 탄성체 TEPU 50A를 발표했습니다. 유연성, 밀봉 성능, 치수 정밀도 등이 필요한 부품을 위한 재료입니다.
다른 기업들도 소프트 로보틱스를 지원할 수 있는 적층 제조 장비, 재료, 서비스를 개발하고 있습니다.
소프트 로보틱스 발전을 돕는 변혁적인 적층 제조 기술을 보유한 기업
#1. Flashforge
2022년 1월 7일 발표된 연구는 물체 모양에 잘 맞춰지는 손가락을 갖춘 모듈식 연성 그리퍼를 설명합니다. 손가락은 양압 공압 구동기와 옥세틱 구조·유연한 보강 리브로 구성된 기계적 메타물질을 결합합니다. 연구진은 FlashForge Inventor 프린터의 용융 적층 방식인 FDM과 NinjaTek의 NinjaFlex TPU를 사용했습니다. 손가락은 지지 재료 없이 한 단계로 출력됐습니다.
Flashforge는 2011년 설립된 중국의 3D 프린터·재료 제조업체입니다. 기사가 인용한 당시 회사 소개는 Flashforge 제품이 약 100개 국가와 지역에 공급된다고 밝혔습니다.
같은 소개는 50개 이상의 국가와 지역에 600곳이 넘는 판매업체가 있다고 설명했습니다. 이는 독립적으로 감사된 최신 집계가 아닌 당시 회사 자료입니다.
FlashForge USA는 기관, 건축가, 엔지니어, 디자이너, 산업 사용자 및 광범위한 소비자와 프로슈머 시장에 3D 프린팅을 널리 보급하는 데 주력하고 있습니다.
기사는 기업정보업체 ZoomInfo의 추정치를 인용해 Flashforge 매출을 1,500만 달러 이상, Flashforge USA를 700만 달러 이상으로 소개했습니다. 감사된 결산 수치가 아니며 두 금액을 별도 실체의 매출로 단순 합산해서는 안 됩니다.
#2. NinjaTek
NinjaTek 사례에서 일리노이대학교 어배너섐페인 연구진은 Cheetah® TPU 필라멘트로 의수의 유연한 뼈 모양 구조를 만들었습니다. 출력 부품을 실리콘에 넣어 피부 같은 표면과 충격 저항을 얻었습니다. 연구진은 필라멘트의 유연성, 출력 품질, 인장 강도를 높이 평가했습니다. 생체 뼈를 출력한 것이 아니라 합성 보철 구조를 제작한 것입니다.
NinjaTek은 Fenner Precision Polymers에 속하며 특수 3D 프린팅 필라멘트를 만듭니다. Michelin은 2018년 5월 Fenner 인수를 완료했으므로 2023년 기사 당시에도 같은 그룹이었습니다.
Michelin Group의 2022년 매출은 285억 9,000만 유로로, 2021년 237억 9,500만 유로와 비교됩니다. 부문 영업이익은 33억 9,600만 유로, 매출의 11.9%였습니다. 이 부문 지표는 전체 보고 영업이익률과 동일하지 않습니다.
#3. Fictiv
Fictiv는 3D 프린팅 서비스를 제공하며 소프트 로보틱스의 가능성을 논의합니다. Medtronic 같은 의료기술 기업이 고객에 포함됩니다. 제조 서비스 이용 자체가 모든 고객의 연성 로봇 활용을 뜻하지는 않습니다.
Fictiv는 센서, 머신 비전, 강화학습을 이용해 다양한 문손잡이를 조작하는 연성 로봇의 가상 사례를 제시합니다. 부드러운 재료 자체가 손잡이를 이해하는 것은 아닙니다. 공압 그리퍼에는 흡착 기능을 결합할 수도 있습니다.
2022년 5월 5일 Fictiv는 1억 달러 규모의 시리즈 E 투자 유치 완료를 발표했습니다. Activate Capital이 주도했고 신규 투자자로 Angeleno Group, Cross Creek, The Westly Group이 참여했습니다. 기존 투자자는 Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners, Standard Investments 등이었습니다. Bill Gates는 개인 투자자이며 기관은 아닙니다. 2013년 설립 이후 누적 조달액은 당시 1억 9,200만 달러였습니다.
소프트 로보틱스에서의 3-D 프린팅 또는 적층 제조 기술: 미래가 제시하는 것
3D 프린팅은 복잡한 형상과 재료 결합을 가능하게 해 2023년 이전부터 소프트 로보틱스의 중요한 연구 기법으로 쓰였습니다.
연성 로봇에는 유체, 겔, 기능성 고분자 등 변형 가능한 재료가 쓰일 수 있습니다. 늘어나거나 눌릴 때 작동을 유지하는지는 설계와 하중에 달려 있습니다. 다양한 재료에 적합한 출력 공정이 있지만 모든 재료가 모든 프린터와 호환되지는 않습니다. 속도, 신뢰성, 생산 확대는 용도별 과제입니다.
새 적층 제조 기법의 또 다른 장점은 높은 정밀도와 복잡한 형상을 제작하는 능력입니다.
적층 제조는 통합 전원용 공간과 구조를 만드는 데도 도움이 될 수 있습니다. 에너지 공급 자체는 용도에 맞게 설계하고 연성 시스템과 안전하게 결합해야 합니다.
일부 연성 출력 재료는 제작 중 자체 무게 때문에 변형되어 지지 재료가 필요합니다. 2018년 종설은 점탄성 하이드로젤과 지지 구조를 논의하며 킬로파스칼에서 메가파스칼 정도의 하중을 언급합니다. 실제 지지 능력은 조성과 형상에 따라 달라집니다.
2018년 종설은 제니퍼 루이스 연구진의 이전 연구를 설명합니다. 매우 부드러운 재료를 여러 방향으로 출력하고 이후 중합으로 고정하는 방식입니다. 이는 2023년에 처음 나온 성과가 아닙니다.
같은 종설은 델프트 공과대학교 연구팀의 UltiCast도 소개합니다. 3D 프린팅한 틀에 실리콘을 주조하는 방식으로, 실리콘을 직접 출력하는 것과는 다릅니다. 일부 복잡한 연성 부품을 저렴하게 제작하는 데 도움이 될 수 있습니다.
종설은 손 기능 제한, 국소 마비, 관절염의 보조를 위한 연성 로봇 장갑 연구 시제품도 다룹니다. 가능한 재활 용도가 모든 장치와 질환에서 임상 효과를 보장하는 것은 아닙니다.
연구진은 의수와 함께 자갈·모래 같은 거친 지면을 걸을 수 있는 3D 프린팅 사족 연성 로봇도 제작했습니다.
의료 및 보건 재활 외에도, 이러한 소프트 로봇은 구조 작업에 활용되거나 위험한 환경에서 센서 데이터를 수집하는 데 사용될 수 있습니다.
새로운 적층 제조 기술은 소프트 로보틱스에 다양한 기회를 제공합니다. 일부 산업 응용은 이미 존재합니다. 더 넓은 보급에는 용도에 따른 성능, 안전성, 생산비 검증과 필요한 경우 임상 평가가 요구됩니다.
