적층 제조
인간과 같은 손: 새로운 적층 제조가 소프트 로보틱스를 실제로 만든다
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빠르게 진화하는 로봇 공학 분야에서, 우리의 이해를 재구성할 것을 약속하는 새로운 영역이 등장하고 있습니다: 소프트 로보틱스. 이 혁신적인 접근 방식은 최첨단 적층 제조 기술 덕분에 눈에 띄는 진전을 이루고 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.
연구자들은 소프트 로보틱스 시장이 앞으로 크게 성장할 기회가 될 것으로 추정하고 있으며, 시장 규모가 2022년 7억 7천만 달러 이상에서 2030년에는 거의 220억 달러에 이를 것으로 보고 있습니다. 이는 연평균 성장률(CAGR) 약 75%에 해당하는 놀라운 성장입니다.
Harvard Biodesign Lab에 따르면, 유연한 재료(천, 종이, 섬유, 입자 등)를 포함한 탄성 매트릭스를 가진 유체 액추에이터를 소프트 로보틱스 기술로 이해하는 데 도움이 됩니다. 소프트 로보틱스는 가볍고, 저렴하며, 특정 적용 분야에 맞게 쉽게 맞춤화할 수 있어 인기를 끌 것으로 예상됩니다.
소프트 로보틱스의 일부 적용 사례
Harvard Biodesign Lab은 현재 미국에만 약 400만 명의 만성 뇌졸중 생존자(반신불완전)와 전 세계 다른 선진국에 약 600만 명이 있다고 추정합니다. 이들 생존자는 종종 손의 운동 능력을 상실합니다. 소프트 로보틱스는 모듈식이며 안전하고 휴대 가능하며 소모성인 가정용 손 재활 및 보조 장치를 개발함으로써 이 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
미국에서 심부전 발생 위험은 약 20%에 달합니다. 소프트 로보틱스 기술을 활용하여, 연구소는 벤치톱 심장 시뮬레이터와 직접 심장 압축(DCC) 장치를 개발 중이며, 이는 심부전 치료에 도움이 될 것입니다.
이러한 유익한 적용 사례와 더불어, 소프트 로보틱스는 전 세계 환자 재활 및 삶의 질 향상 노력에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 소프트 로보틱스의 발전을 돕는 모든 기술은 따라서 긍정적인 의미를 가집니다. 오늘은 이러한 제조 기술 중 몇 가지를 논의하겠습니다.
소프트 로보틱스에서의 3-D 프린팅 또는 적층 제조 기술
3D 프린팅, 또한 적층 제조라고도 불리며, 디지털 파일을 기반으로 3차원 물체를 제작하는 기술입니다. 제작 과정이 층을 추가하는 방식이기 때문에 적층 제조라고 불립니다.
적층 제조 과정에서는 원하는 물체의 최종 형태가 완성될 때까지 재료의 연속적인 층을 쌓아가며 물체를 제작합니다.
각 층은 원하는 물체의 얇게 절단된 단면에 해당합니다. 적층 제조는 큰 원재료 블록에서 원하는 형태와 크기의 부분을 절삭하는 전통적인 절삭 제조와 다릅니다.
3D 프린팅 또는 적층 제조는 일반적으로 3D 모델, 3D 소프트웨어, 3D 프린터를 포함합니다. 이 과정은 이미 소비재, 산업용 제품, 치과용 제품, 보철물, 건축 모형 및 마키, 복원된 화석, 고대 유물 복제, 법의학 심리학 증거 재구성, 영화 소품 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
이제 그 활용 가능성이 발견되었습니다는 보다 정교한 소프트 로보틱스 분야에서 활용되고 있습니다. ETH Zurich와 미국 스타트업 Inkbit이 공동으로 이를 가능하게 했습니다.
Inkbit은 MIT 스핀오프이며, ETH Zurich의 과학기술 대학은 1855년에 설립되어 현대 스위스의 창립자들이 혁신과 지식의 중심으로 만들었습니다.
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기술 상세
돌파구
ETH Zurich와 Inkbit의 연구가 이룬 돌파구는 적층 제조 또는 3D 프린팅에 사용할 수 있는 재료 범위를 확대한 것입니다. 이전에는 빠르게 경화되는 플라스틱에만 제한되었지만, 이제는 천천히 경화되는 플라스틱도 사용할 수 있게 되었습니다. 이러한 범위 확대에는 많은 장점이 있습니다.
이점
- 천천히 경화되는 플라스틱은 탄성 특성이 향상되었습니다.
- 이들은 더 내구성이 높고 견고합니다.
- 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
천천히 경화되는 플라스틱을 사용함으로써 소프트 로보틱스와 적층 제조의 장점을 결합하고 인류에게 오랫동안 혜택을 줄 시너지를 창출하는 것이 가능해졌습니다.
ETH Zurich 연구진은 인간의 골격, 인대, 힘줄과 같은 특성을 모두 갖춘 로봇 손을 성공적으로 개발했습니다. 서로 다른 폴리머로 제작되었지만 최종 제품은 한 번에 제작될 수 있었습니다.
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 폴리머의 도입은 소프트 로보틱스 원칙에 따라 손을 제작하는 데 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 로봇 손이 실제 인간 손만큼 부드러워 부상 위험이 감소하고 섬세한 물품을 더 잘 다룰 수 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.
연구진은 또한 이러한 불규칙성을 보정하기 위한 피드백 메커니즘을 도입했습니다. 이 메커니즘은 이전 층의 고르지 못함을 고려하여 한 층에 필요한 조정을 수행하도록 도와줍니다.
ETH Zurich는 미국 기반 스타트업 Inkbit의 도움을 받아 이 프린팅 기술을 개발했습니다.
Inkbit: 프린팅 기술 스타트업
2017년 Davide M. Marini, Javier Ramos, Wojciech Matusik에 의해 설립된 Inkbit은 매사추세츠 주 메드포드에 본사를 둔 Series B 스타트업입니다. 이 회사의 목표는 3D 프린팅과 머신 비전을 결합한 차세대 적층 제조 플랫폼을 만드는 것입니다. Inkbit은 3D 프린팅 분야에서 지속적으로 혁신하고 새로운 솔루션을 개발하고 있습니다. 예를 들어, 올해 11월 중순에 복합 다기능 시스템 및 로봇을 단일 프린트로 제작하는 시연을 보여주었습니다.
일주일 전, 이 회사는 새로운 소프트-미디엄 듀로미터 탄성체인 TEPU 50A를 선보였습니다.
Inkbit이 서비스를 제공하는 분야에는 여러 다른 기업이 있습니다. 이들 모두는 새로운 적층 제조 기술을 통해 소프트 로보틱스의 발전을 촉진하려고 노력하고 있습니다.
소프트 로보틱스 발전을 돕는 변혁적인 적층 제조 기술을 보유한 기업
#1. Flashforge
최근에 고도로 적합한 소프트 그리퍼를 갖춘 3D 프린팅 모듈식 소프트 그리퍼가 개발되었습니다. 손가락은 양압 소프트 공압 액추에이터와 기계적 메타머티리얼로 구성되었습니다. 메타머티리얼은 소프트 오크시틱 구조와 유연한 갈비뼈를 통합했습니다. 이 과정에 사용된 3D 프린터는 FlashForge Corporation의 저비용 오픈소스 융합 적층 모델링 3D 프린터였습니다.
2011년에 설립된 Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD는 중국에서 최초의 전문 3D 프린팅 장비 및 소재 연구·개발·제조 기업 중 하나입니다. Flashforge 제품은 전 세계 거의 100개 국가와 지역으로 수출됩니다.
전 세계 50개 이상의 국가와 지역에서 600개 이상의 브랜드 딜러를 개발했습니다.
FlashForge USA는 기관, 건축가, 엔지니어, 디자이너, 산업 사용자 및 광범위한 소비자와 프로슈머 시장에 3D 프린팅을 널리 보급하는 데 주력하고 있습니다.
추정에 따르면, Flashforge는 1,500만 달러 이상의 매출을 기록했으며, FlashforgeUSA는 700만 달러 이상의 매출을 보유하고 있습니다.
#2. NinjaTek
다양한 솔루션 중, NinjaTek의 Cheetah® 3D Printer Filament는 의수 손을 위한 유연하고 생동감 있는 뼈를 만드는 데 사용되었습니다. 손가락 설계는 실리콘 몰드에 유연한 3D 프린팅 뼈를 삽입하여 실제 피부와 같은 질감을 구현하고 손가락의 견고함과 강도를 높이는 것을 요구했습니다. 연구팀은 NinjaTek의 반유연성 Cheetah TPU 필라멘트가 의수 부품 설계에 매우 유용하다고 평가했습니다.
NinjaTek은 Fenner Precision Polymers의 일부이며, 3D 프린팅 산업 분야의 최종 사용자용 특수 필라멘트를 생산합니다. 현재는 Michelin Group의 계열사입니다.
Michelin Group은 2022년에 285억 유로 이상의 매출을 기록했으며, 2021년 매출인 약 240억 유로와 비교됩니다. 회사의 영업 이익률은 2022년에 약 12%에 달했습니다.
#3. Fictiv
이 분야의 또 다른 핵심 기업은 Fictiv이며, 포괄적인 3D 프린팅 서비스와 소프트 로보틱스 발전에 강력히 기여하고 있습니다. 그들의 전문성은 Medtronic과 같은 대형 의료기술 기업에서도 높은 수요를 받고 있습니다.
Fictiv은 소프트 로봇이 더 적응력 있고 유연하다고 믿습니다. 이는 다양한 핸들 디자인을 더 잘 이해하고 그에 맞게 움직임을 조정할 수 있게 합니다. 또한 소프트 로봇은 물체를 잡기 위해 공압식으로 구동되며, 이는 흡입 기능을 쉽게 추가할 수 있게 합니다.
2022년 5월, Fictiv은 1억 달러 규모의 Series E 펀딩 라운드 종료를 발표했습니다. 이 라운드는 Activate Capital이 주도했으며, Angeleno Group, Cross Creek, The Westly Group 등 새로운 투자자들이 참여했습니다. Fictiv의 다른 기관 투자자로는 Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners, Standard Investments가 있습니다. Series E 펀딩으로 Fictiv의 총 투자액은 2013년 설립 이후 1억 9,200만 달러에 이르게 되었습니다.
소프트 로보틱스에서의 3-D 프린팅 또는 적층 제조 기술: 미래가 제시하는 것
3D 프린팅 또는 적층 제조는 높은 품질과 동시에 다중 재료를 프린팅할 수 있는 능력 때문에 소프트 로보틱스의 핵심 기술이 될 것입니다.
소프트 로봇은 유체, 겔, 기능성 폴리머 및 기타 쉽게 변형 가능한 재료로 구성되어 있어, 늘어나거나 압축될 때도 작동을 유지합니다. 중요한 점은 이러한 재료가 현재의 3D 프린팅·적층 제조 기술과 호환되어, 더 빠르고 신뢰성 있게 제작할 수 있다는 것입니다. 그러나 보편적으로 적용되기 위해서는 확장성을 향상시켜야 합니다.
새로운 적층 제조 기술의 또 다른 장점은 높은 특이성과 가장 복잡한 형태까지 프린팅할 수 있는 능력입니다.
새로운 적층 제조 기술은 대부분의 최신 소프트 로봇에 필수적인 전원 공급 장치를 배치하는 데에도 유용합니다. 또한, 새로운 3D 프린팅 기술은 전원 장치를 소프트 로봇 구조 내부에 지능적으로 배치하는 데 도움을 줍니다.
반면 현재 사용 가능한 3D 프린팅 가능한 소프트 재료는 자체 중량으로 인해 제작 과정 중 일반적인 힘에 의해 변형되는 경향이 커, 지지 재료의 사용이 필요합니다. 이 문제는 추가 개발이 필요한 영역을 강조합니다. 이를 해결하기 위해, 킬로파스칼에서 메가파스칼까지의 압력을 견딜 수 있는 점탄성 하이드로젤이 해결책으로 등장했습니다.
최근 research group은 또한 매우 부드러운 물질(예: 액체)을 나중에 중합을 통해 고정할 수 있는 전방향 기술을 성공적으로 개발했습니다.
또 다른 research team은 Delft University of Technology 학생들로 구성되어 있으며, 3D 프린트된 껍질에 실리콘을 주조할 수 있는 기술을 도입했습니다. 이 기술은 저비용이며 소프트 로보틱스가 미래에 새로운 고지를 달성하도록 도울 수 있습니다.
더 많은 연구와 과학적 연구가 진행됨에 따라, 적층 제조는 소프트 로보틱스를 의료 및 보건 과학 분야에서 매우 중요한 역할을 하게 할 것입니다. 이미 제한된 손 기능, 국소 마비, 관절염을 겪는 사람들을 위한 소프트 로봇 3D 프린팅 장갑이 개발되었습니다.
과학자들은 또한 4개의 다리를 가진 3D 프린팅 소프트 로봇을 개발했으며, 이 로봇은 자갈이나 모래와 같은 불균일하고 거친 표면에서도 걸을 수 있습니다.
의료 및 보건 재활 외에도, 이러한 소프트 로봇은 구조 작업에 활용되거나 위험한 환경에서 센서 데이터를 수집하는 데 사용될 수 있습니다.
요약하면, 새로운 적층 제조 기술이 소프트 로보틱스 발전에 제공하는 기회는 막대합니다. 실험실을 벗어나 대규모 실제 적용으로 전환되기만 하면 공공의 이익을 위해 크게 기여할 수 있습니다.
