하이드로겔 조작이 현대 로봇공학의 민첩성과 다재다능성을 향상시킬 수 있다

새로운 연구가 과학 저널 Physical Review Letters에 발표되었으며, 하이드로겔이 더 빠르게 수축하도록 하는 “미세 현상”을 밝혀냈습니다. “Continuum Poroelastic Theory”라고 불리는 이 발견은 소프트 로봇공학을 포함한 여러 산업에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이 장치는 더 가볍고 민첩하게 만들 수 있는 열쇠가 될 수 있습니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

하이드로겔

하이드로겔은 촘촘한 고분자 사슬로 구성된 유연하고 물을 절연할 수 있는 물질입니다. 이 사슬은 유체를 흡수하고 효율적으로 보유할 수 있습니다. 이러한 상태에서는 하이드로겔이 대부분 물로 구성됩니다. 하이드로겔은 저장된 유체를 방출하고 자극에 따라 수축할 수 있습니다. 이 자극은 pH 변화와 같은 화학적 변화나 온도 또는 전기장 변화와 같은 대기적 변화일 수 있습니다.

하이드로겔은 부드럽고 유연한 특성을 가지고 있으며 헤어 젤, 치약, 화장품 및 기타 물이 많이 함유된 용액에서 찾아볼 수 있습니다. 또한 상처 드레싱, 화상 치료 등 의료 분야에서도 흔히 사용됩니다. 로봇에 적용하면 플라스틱과 같은 무거운 대체재를 신뢰할 수 있는 대체재가 될 수 있습니다.

하이드로겔이 비준수 로봇을 업그레이드함

비준수, 즉 소프트 로봇은 다양한 굽힘 가능한 재료로 만들어져 독특한 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 맞춤형 장치는 좁은 공간에 들어가고 복잡한 폐허를 탐색하며 약물 전달에도 도움을 줄 수 있습니다. 연구자들에 따르면, 하이드로겔은 미래에 소프트 로봇에서 고무와 유압 부품을 대체할 수 있을 것으로 보입니다.
소프트 로봇은 특정 응용 분야를 논할 때 경직된 로봇에 비해 큰 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 압력을 더 넓은 면적으로 분산시켜 부드러운 접촉을 가능하게 합니다. 이러한 장점이 거의 모든 환경에 맞게 조정될 수 있다면, 소프트 로봇은 특정 작업에 대한 최적의 솔루션이 됩니다.

현재 시스템

현재 로봇 산업은 유압 및 공압 시스템이 주도하고 있습니다. 이 시스템들은 신뢰성이 높고 수십 년 동안 다양한 형태로 사용되어 왔습니다. 그러나 특히 소형화 및 비준수 로봇을 논할 때 이 시스템에는 상당한 단점이 존재합니다.

예를 들어, 이러한 시스템에 의존해 형태를 바꾸는 비준수 로봇은 호스, 라인 및 펌프를 통합해야 합니다. 이러한 부품은 미세 수준에서 거의 제작이 불가능합니다. 규모를 확대하더라도 각 펌프와 호스는 이 작은 장치에 무게를 추가합니다. 무게는 로봇의 배터리 수명, 이동 능력 등을 감소시킵니다. 따라서 연구진의 하이드로겔 발견은 로봇이 더 다양한 방식으로 작동하면서 무게를 최적화하고 새로운 활용 시나리오를 가능하게 할 수 있습니다.

그들은 이번 돌파구가 비준수 로봇공학을 미래로 도약시켜 효율성과 민첩성을 높이고 무게를 줄일 수 있다고 믿습니다. 하이드로겔은 여러 이유로 고무를 대체할 수 있습니다. 주요 장점은 더 가볍고 유압이나 공압 시스템이 필요 없다는 점입니다. 따라서 소프트 로봇을 구축하는 복잡성을 감소시킵니다.

미세 현상

연구자들은 다양한 조건에서 하이드로겔의 팽창 및 수축을 조사하면서 발견한 미세 현상을 설명합니다. ‘Continuum Poroelastic Theory’는 마이크로 로봇공학에 필요한 모든 조건을 충족하는 하이드로겔 중심 솔루션을 제시합니다. 이 이론은 가볍고, 신뢰성이 높으며, 제어가 가능하고 현재 옵션보다 제작이 용이합니다.

하이드로겔 연구 세부 사항

연구진은 얇은 하이드로겔 필름 층을 만들면서 시작했습니다. 이 다공성 층은 특정 조건에서 물과 이온이 자유롭게 통과하도록 했습니다. 처음 관찰된 이상 현상은 겔 디퓨시오포레시스(gel diffusiophoresis)라는 과정이 겔의 삼투압을 급격히 상승시킨다는 것이었습니다. 디퓨시오포레시스 과정은 이온이 도입될 때 하이드로겔이 즉시 팽창하게 만들었습니다.
특히, 하이드로겔은 액체를 방출한 후 원래 크기로 수축합니다. 이온이 주입된 하이드로겔은 기존 방법보다 수백 배 빠르게 팽창하고 수축했습니다. 또한 데이터는 확산-포레틱 팽창 방법이 훨씬 효율적임을 보여주었습니다.

민첩성 향상

연구자들은 이번 발견이 소프트 로봇의 민첩성을 향상시킬 수 있다는 점에 흥분하고 있습니다. 예를 들어, 인간 손의 섬세함과 민첩성을 갖춘 로봇 손을 만드는 것이 목표였습니다. 팀은 이 발견이 이를 실현하는 중요한 단계가 될 수 있다고 믿습니다. 성공한다면, 소프트 로봇은 앞으로 몇 년 안에 인간과의 접촉과 관련된 작업을 훨씬 더 많이 수행하게 될 것입니다.

더 큰 로봇

또 다른 주요 발견은 하이드로겔을 사용해 더 큰 소프트 로봇을 만들 수 있다는 점입니다. 현재 대부분의 소프트 로봇은 미세 크기에 제한됩니다. 하이드로겔의 추가된 힘과 감소된 무게 덕분에 이 장치는 센티미터 수준까지 확장될 수 있습니다. 특히, 작은 로봇이 군집을 이루어 효율성을 높이는 경우가 흔합니다.

하이드로겔 소프트 로봇의 실제 적용 사례

소프트 로봇에는 다양한 실제 적용 사례가 있습니다. 현재 이 장치는 과일 수확, 창고 분류 등에 사용되고 있으며, 앞으로는 의료 업무에도 활용될 전망입니다. 다음은 소프트 로봇이 지속적으로 영향을 미치는 주요 분야입니다.

제조

소프트 로봇 통합이 가장 두드러지는 산업은 제조업입니다. 여기에서는 컨베이어 벨트에 사용되는 손 모양 장치를 볼 수 있습니다. 이러한 장치는 섬세한 물품을 집어 포장하거나 특정 카테고리로 분류합니다. 앞으로는 고급 센서와 AI를 활용해 이 로봇이 집어 든 물체를 ‘감지‘할 수 있게 될 것입니다.

수색 및 구조

소프트 로봇은 자연 재해에서 생존자를 찾는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 잔해가 구조 활동을 방해하고 대형 재해 후 추가 사망자를 초래한다는 사례가 흔합니다. 비준수 로봇은 재난 지역을 뱀처럼 이동하며 고급 센서를 사용해 생존자를 더 빠르게 찾을 수 있습니다. 이러한 로봇은 생존자와의 소통을 돕고 필요 시 생명을 구하는 물자를 전달할 수도 있습니다.

탐사

비준수 로봇은 탐사를 더욱 효율적으로 만들 수 있습니다. 로봇은 심우주 및 심해 탐사의 미래입니다. 이들은 인간보다 더 깊이, 더 멀리 이동하고 더 가치 있는 데이터를 제공할 수 있습니다. 특히 소프트 로봇은 압력에 맞춰 형태를 변형시켜 해양 심층과 같은 이전에 볼 수 없었던 장소에 접근할 수 있어 새로운 과학 분야 연구를 촉진합니다.

헬스케어

소프트 로봇은 다양한 헬스케어 분야에 적용될 수 있습니다. 이 장치는 약물 전달, 질병 퇴치, 물 정화 등 여러 역할을 수행할 수 있습니다. 바이오 로봇공학 분야는 살아있는 조직을 핵심 부품으로 활용하는 혁신적인 하이브리드 기계를 지속적으로 개발하고 있습니다. 이러한 장치는 착용자가 눈치채지 못할 정도의 의수를 만들고, 수백만 명의 삶을 향상시키는 등 다양한 생활 개선을 가져올 수 있습니다.

선도 로봇 기업

로봇 산업은 빠르게 변화하는 시장으로, 과거에는 Boston Dynamics와 같은 소수의 핵심 기업이 주도했습니다. 오늘날 시장에는 다양한 분야가 포함되어 선택 폭이 크게 확대되었습니다. 다음은 하이드로겔을 활용해 제품을 개선할 수 있는 로봇 기업 몇 곳입니다.

1. Intuitive Surgical

ISRG 가격 차트

Intuitive Surgical (ISRG ) 은 로봇 헬스케어 시장의 선구자입니다. 이 독특한 기업은 수술 보조기, Da Vinci 및 Ion 등 다양한 제품과 서비스를 제공하여 차별화됩니다. 이러한 첨단 솔루션은 최소 침습 수술을 촉진합니다. 특히 최신 Da Vinci 업그레이드는 외과 의사가 피드백을 통해 절개를 감지할 수 있게 합니다.
Intuitive Surgical은 모든 포트폴리오에 강력한 추가 요소입니다. 미국에 본사를 둔 이 기업은 NASDAQ-100 및 S&P 500에 포함되어 있습니다. 또한 그들의 서비스는 높은 수요를 보이고 있습니다. 구체적으로, 회사는 전 세계에 8,600대 이상의 Da Vinci 시스템을 배치했다고 밝혔습니다. 따라서 Intuitive Surgical은 로봇 분야의 글로벌 기술 리더로서 명성을 얻었습니다.

2. UiPath

PATH 가격 차트

UiPath (PATH ) 는 로봇 프로세스 자동화(RPA) 소프트웨어 기업입니다. 이 회사는 로봇이 반복 작업을 학습하고 인간을 대신해 수행하도록 하는 프로그램을 개발합니다. 루마니아에서 설립되어 성장하면서 뉴욕으로 이전했으며, 현재 세계 최고의 RPA 소프트웨어 제공업체입니다.
UiPath는 일관성과 성능 덕분에 시장 선두주자가 되었습니다. 이 회사는 Canon, EY, VITAL, TQL 등 다수의 대형 고객을 위한 기업 활동을 효율화하는 데 서비스가 효과적임을 반복적으로 입증했습니다. 또한 Forbes에 여러 차례 소개되었습니다. 이러한 모든 요인으로 UiPath는 주목할 만한 주식이 됩니다.

소프트 로봇의 문제점

소프트 로봇은 대규모 채택을 위해 극복해야 할 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, 견고한 로봇에 비해 내구성이나 성능이 부족합니다. 또한 무한한 자유도를 가진 로봇 제어에 대한 우려도 있습니다. 이러한 장치의 움직임을 모델링하려면 많은 혁신과 시간이 필요합니다. 앞으로 UiPath와 같은 기업은 소프트 로봇 제어 시스템 개발에 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

연구원

이 연구는 버지니아 공대 물리학자 C. Nadir Kaplan과 박사 과정 학생 Chinmay Katke가 이끄는 연구팀에 의해 수행되었습니다. 특히, 이들은 네덜란드 라드부드 대학교의 Professor C. Nadir Kaplan 및 Peter A. Korevaar의 도움을 받았습니다.

하이드로겔이 소프트 로봇을 더욱 유용하게 만들 수 있다

하이드로겔 발견을 이끈 팀은 소프트 로봇을 더욱 유용하게 만드는 열쇠를 찾은 것일 수 있습니다. 하이드로겔은 고무, 유압, 액추에이터 및 기타 무겁고 복잡한 대체재를 대체할 수 있습니다. 이러한 이유로 이 연구는 앞으로 주목할 만한 중요한 돌파구로 간주될 수 있습니다.

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