적층 제조
전자 부품 없이 압축공기로 걷는 일체형 3D 프린팅 소프트 로봇
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로봇은 보통 몸체, 모터, 센서, 배터리, 제어기 같은 부품을 따로 만든 뒤 조립한다. 소프트 로봇도 유연한 몸체를 쓰지만 펌프와 밸브, 전자 제어 장치를 외부에 연결하는 경우가 많다. 이런 구조는 좁은 공간이나 물속처럼 전자 장치와 케이블이 불리한 환경에서 한계가 된다.
한 번에 출력하는 공압식 소프트 로봇
UC 샌디에이고 연구진은 논문 Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots에서 몸체와 다리, 액추에이터, 제어 회로를 하나의 데스크톱 3D 프린터로 통째로 만드는 방식을 제시했다. 출력이 끝난 로봇은 별도 조립 없이 일정한 압축공기 공급원에 연결하면 걷기 시작한다.
여기서 ‘전자 부품이 없다’는 말은 에너지원이 필요 없다는 뜻이 아니다. 로봇의 움직임과 순서는 전자 회로 대신 내장된 유체 회로가 제어하지만, 작동에는 외부 압축공기나 이산화탄소 카트리지가 필요하다.
왜 소프트 로봇인가
소프트 로봇은 단단한 금속 관절 대신 실리콘이나 열가소성 탄성체 같은 유연한 재료를 사용한다. 충격을 견디고 사람과 비교적 안전하게 접촉하며 복잡한 표면에 적응할 수 있다는 장점이 있다. 다만 주조와 수작업 조립은 숙련도가 필요하고 결과 편차가 크며, 전자식 밸브와 펌프를 연결하면 시스템이 다시 복잡해진다.
단일 재료와 상용 프린터
연구진은 상용 데스크톱 프린터와 시판 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 사용했다. 공기가 새지 않는 채널을 만들기 위해 지지재 없이 연속적으로 출력하는 공구 경로를 설계했다. 연구에는 UC 샌디에이고와 BASF 3D Printing Solutions, BASF California Research Alliance 연구자들이 참여했다.
UC 샌디에이고 연구진의 3D 프린팅 공압식 보행 로봇
전자 회로 대신 공기 흐름으로 계산한다
4상 발진 밸브
핵심은 일정한 압력 입력 하나를 네 개의 주기적 출력 신호로 바꾸는 4상 쌍안정 공압 발진 밸브다. 밸브 내부의 막과 링크, 공기 채널이 압력 임계값에 따라 상태를 바꾸며 여섯 개의 기계적 상태를 거친다. 연구진은 이를 네 개의 구동 단계로 묶어 다리의 상하·전후 움직임을 조정했다.
닫힌 밸브를 그대로 출력하면 채널 벽이 붙어 버릴 수 있다. 연구진은 모든 채널이 열린 중립 상태로 출력한 뒤, 처음 압력을 가할 때 밸브가 스스로 초기화되도록 설계했다. 서로 거울상인 두 쌍안정 링크는 양쪽 전환 임계값을 비슷하게 만들고, 위상 지연 밸브는 회로가 중간 상태에서 멈추는 것을 막는다.
여섯 다리와 교대 삼각 보행
로봇의 여섯 다리는 유연한 길항 공압 액추에이터를 포함한다. 세 다리씩 두 묶음이 번갈아 몸을 지지하는 교대 삼각 보행을 사용한다. 각 다리는 들어 올리기와 내리기, 앞뒤 흔들기를 결합하며, 네 압력 출력이 이 순서를 만든다. 이 구조는 네 다리 설계보다 거친 지면에서 몸을 안정적으로 지지하도록 선택됐다.
논문이 실제로 측정한 성능
카트리지 구동
16g 이산화탄소 카트리지와 기계식 조절기로 138kPa(20psi)를 공급했을 때 약 80초 동안 작동했다. 로봇 본체의 질량은 172g이었고 카트리지와 조절기가 약 200g을 더했다. 매끄러운 표면에서 21초 동안 85cm를 걸어 평균 속도는 초당 4cm, 즉 초당 몸길이의 약 0.19배였다.
외부 공기 공급원에 연결한 시험에서는 짐이 없을 때 최고 초당 7cm를 기록했다. 따라서 ‘완전 자율’이라는 표현은 제어에 전자 장치가 없다는 뜻으로 이해해야 하며, 장시간 독립 운용이나 에너지 자립을 입증한 것은 아니다.
거친 지면과 물웅덩이
로봇은 높이 2cm의 장애물을 넘고, 모래와 바위가 있는 18도 경사를 30초 동안 73cm 올라갔다. 해변 물웅덩이에 들어가 바닥을 따라 잠긴 상태로 이동한 뒤 반대편 육지로 나오는 시험도 수행했다. 수중 시험에서는 부력을 상쇄하기 위해 210g의 추를 추가했다.
수명 시험의 정확한 의미
TPU 발진 밸브 하나는 첫 시험에서 19,809주기 후 점탄성 변형 때문에 멈췄다. 10시간 회복한 뒤 같은 장치는 다시 22,046주기를 작동했으며 기계적 파손은 관찰되지 않았다. 열가소성 탄성체(TPE)로 만든 별도 밸브는 179,127주기 후 변형으로 멈췄다.
따라서 원문의 ‘3일 동안 쉬지 않고 작동했다’는 요약은 불완전하다. 논문은 서로 다른 재료와 밸브 단위의 주기 시험을 보고했으며, 완성 로봇이 모든 기능을 3일 연속 수행했다고 주장하지 않았다.
장점과 한계
조립 공정 감소
몸체와 제어 회로를 한 번에 출력하면 부품 수와 수작업 조립을 줄이고 같은 설계를 여러 장소에서 재현하기 쉬워진다. 전자 장치가 없으므로 물, 강한 자기장, 방사선, 점화 위험이 있는 환경에서 연구 가치가 있다.
여전히 필요한 외부 시스템
압축가스, 압력 조절기와 연결부는 여전히 필요하다. 로봇은 센서 기반 경로 계획이나 원격 통신, 복잡한 작업을 보여 주지 않았다. 카트리지 작동 시간도 약 80초에 불과했다. 실제 재난 구조나 우주 탐사에는 에너지 저장, 탑재량, 방향 전환, 감지, 내구성, 회수 가능성을 추가로 검증해야 한다.
비용 주장의 범위
연구진은 저렴하고 널리 보급된 프린터와 재료를 사용해 접근성을 높였다. 원문에 나온 약 20달러는 시제품의 재료비 수준을 가리키는 설명으로 봐야 한다. 프린터, 가스, 조절기, 인건비, 품질 관리와 후속 장비를 포함한 완전한 운용 비용은 아니다.
가능한 응용 분야
연구 단계의 후보 응용은 침수 지역, 강한 자기장, 방사선 환경, 광산과 같이 전자 장치가 까다로운 장소의 단순 이동과 감시다. 현장에서 프린팅한다는 구상도 운송 부담을 줄일 수 있다. 그러나 논문은 이런 임무를 실제로 수행하거나 3~5년 안에 상용화된다는 일정을 입증하지 않았다.
후속 연구 과제는 압축가스 저장장치를 더 작게 통합하고, 생분해성 또는 장기 변형이 적은 재료를 평가하며, 방향 제어와 센싱을 추가하는 것이다.
연구진과 자금
논문의 저자는 Yichen Zhai, Jiayao Yan, Albert De Boer, Martin Faber, Rohini Gupta, Michael T. Tolley다. UC 샌디에이고, BASF 3D Printing Solutions, BASF California Research Alliance가 참여했고, BASF와 미국 국립과학재단이 연구를 지원했다.
관련 기업: 3D Systems
3D Systems (DDD )는 적층제조 장비, 재료와 서비스를 제공하는 상장사다. 항공우주, 자동차, 의료, 산업용 제조 등에서 3D 프린팅을 공급한다. 이 논문의 로봇이나 UC 샌디에이고 연구에 3D Systems가 참여했다는 근거는 없으므로, 회사 소개는 관련 산업의 투자 사례로만 봐야 한다.
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결론
이 연구의 핵심 성과는 전자 제어기 없이 작동하는 여섯 다리 소프트 로봇을 단일 재료와 상용 데스크톱 3D 프린터로 한 번에 제작했다는 점이다. 내장 공압 회로가 일정한 공기 입력을 네 단계의 다리 움직임으로 바꾸며, 로봇은 거친 지면과 얕은 물에서 실험적으로 이동했다.
동시에 이 장치는 압축가스가 필요하고 운용 시간이 짧으며 자율 감지나 임무 수행 능력은 검증되지 않았다. 저비용·현장 제작 가능성을 보여 준 연구 시제품으로 평가하는 것이 정확하다.
참고 논문
Zhai, Y., Yan, J., De Boer, A., Faber, M., Gupta, R., & Tolley, M. T. (2025). Monolithic Desktop Digital Fabrication of Autonomous Walking Robots. Advanced Intelligent Systems, 7(5), 2400876. https://doi.org/10.1002/aisy.202400876
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