로보틱스
폼 유체공학이 여는 소프트 로봇 기술의 가능성
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
경직형 로봇에서 연성 로봇으로
로봇을 떠올리면 크고 무거운 산업용 로봇이나 공상과학 속 미래형 로봇이 생각납니다. 금속으로 된 무서운 터미네이터부터 영화 아이, 로봇의 매끈한 디자인과 실제 현대의 휴머노이드 로봇까지 모습도 다양합니다.
출처: Sanctuary
이러한 로봇은 대체로 금속과 플라스틱으로 된 단단한 구조를 사용하며, 피스톤이나 유압 장치, 전기 모터로 움직임을 만들어 냅니다.
하지만 이러한 로봇 설계는 보다 섬세한 접근이 필요한 많은 응용 분야에 제한적일 수 있습니다. 예를 들어, 인간의 몸과 상호작용하는 로봇이나 과일을 수확하는 로봇은 손상을 방지하기 위해 보다 유연한 소재와 부드러운 접촉이 필요합니다.
이러한 필요에 대한 대응으로 ‘소프트 로보틱스’라는 새로운 분야가 등장하고 있습니다. 이 분야는 새로운 소재를 활용해 부드럽고 유연한 로봇 시스템을 만드는 방법을 탐구합니다. 우리는 이전에 이 아이디어를 다루었으며, 특히 3D 프린팅이 소프트 로봇 구축에 어떻게 도움이 되는지와 하이드로젤이 로봇의 민첩성을 어떻게 향상시킬 수 있는지를 살펴보았습니다.
이러한 연성 로봇 기술에 새로운 접근법이 추가되었습니다. 바로 폼 유체공학입니다.
공압 논리에서 폼 유체공학으로
라이스대학교 연구진은 발포체를 로봇의 감지와 제어에 활용하는 방법을 연구했습니다. 열린 기공들이 연결된 발포체 내부의 공기 흐름을 이용하면 일부 전자 회로의 기능을 대신할 수 있습니다. 연구 결과는 「연성 개방형 기공 발포체를 이용한 내장형 유체 감지 및 제어」라는 논문으로 발표되었습니다.
핵심 아이디어는 공압 논리 회로에서 출발했습니다. 전류로 신호를 처리하는 대신 공기의 흐름과 압력 변화를 이용해 연산과 제어 기능을 구현하는 방식입니다.
기존 공압 논리 회로는 전자 회로를 본떠 개별 부품과 논리 게이트를 연결하는 경우가 많았습니다. 작업이 복잡해질수록 필요한 부품이 늘어나 장치의 크기와 무게, 비용, 고장 가능성이 증가할 수 있습니다.
라이스대학교 연구진은 발포체 시트의 미세한 기공을 통과하는 공기 흐름과 압력 차를 활용했습니다. 발포체의 다공성과 압축에 따른 유체 저항 변화를 이용해 감지 및 제어 기능을 구현함으로써 개별 논리 게이트에 대한 의존도를 줄였습니다.
출처: 라이스대학교
아날로그 내장 회로
로봇의 일부가 힘에 반응하는 상황을 생각해 볼 수 있습니다. 기존 방식에서는 힘 센서와 전자 제어 장치, 모터나 유압 장치 등을 조합해 움직임을 조절할 수 있습니다. 필요한 구성은 로봇의 설계와 작업에 따라 달라집니다.
폼 유체공학에서는 발포체의 특성을 이용해 힘에 따른 반응을 구조에 내장할 수 있습니다. 시연에서는 버튼을 누르는 힘의 크기에 따라 액추에이터의 움직임이 달라졌습니다. 다만 모든 조건에서 힘과 굽힘이 정확히 비례하거나 힘이 절반이면 굽힘도 절반이라는 뜻은 아닙니다.
출처: 라이스대학교
이를 구현하는 데에는 어려움도 있었습니다. 공기는 압력에 따라 밀도가 달라지므로 발포체 내부의 공기 흐름을 모델링하는 과정이 복잡합니다.
연구진은 다공성 재료를 통과하는 기체 흐름을 분석하는 이론과 발포체의 유체 특성을 측정하는 실험 기법을 개발했습니다. 이를 바탕으로 가해진 힘에 따라 유체 저항이 어떻게 변하는지 예측하는 모델을 만들었습니다.
응용 분야
폼 유체공학은 일부 감지 및 제어 기능에서 무겁고 단단한 전자 부품이나 모터에 대한 의존도를 줄일 가능성이 있습니다. 다만 공압 구동에는 압축 공기 공급이 필요하므로 전체 시스템이 항상 배터리 없이 작동하거나 더 가볍다고 단정할 수는 없습니다. 유연한 발포체는 섬유 기반 착용 장치에 통합하기에 유망한 재료입니다.
엑소수트
첫 번째로 생각할 수 있는 응용 분야는 장애나 부상으로 이동성이 제한된 사람들을 돕는 것입니다. 이러한 사용자를 지원하는 기존 로봇 기술 기반의 외골격 시장이 이미 성장하고 있으며, 우리는 “로봇공학을 통한 독립성과 이동성 – 파킨슨병 환자를 돕는 엑소수트“에서 이를 논의했습니다.
유사한 착용형 보조 기술은 창고, 공장, 군대 등 무거운 물건을 들어야 하는 작업에서 부상을 줄이는 데에도 도움이 될 수 있습니다.
폼 유체공학을 엑소수트나 맞춤형 바지, 셔츠에 통합하는 방식도 생각해 볼 수 있습니다. 착용감과 외관상의 장점을 기대할 수 있지만, 기존 외골격을 완전히 대체할 수 있는지는 기능과 안전성에 대한 추가 검증이 필요합니다.
VR / 햅틱 기술
햅틱 시스템은 촉각 자극을 전달해 가상현실과 시뮬레이션에서 사용자에게 감각적 피드백을 제공합니다.
폼 유체공학 회로는 촉각 신호를 통해 정보를 전달하는 데에도 활용될 수 있습니다. 움직임 감지와 촉각 피드백을 결합하면 의료진이나 응급 대응 인력 등의 훈련용 시뮬레이션에 응용할 가능성이 있습니다. 다만 이번 연구가 이러한 훈련 시스템의 정확도를 임상적으로 검증한 것은 아닙니다.
출처: 라이스대학교
소프트 로보틱스에 투자하기
소프트 로보틱스는 로봇이 공장 현장을 떠나 병원에서 환자 돌봄을 돕고, 창고에서 물품을 이동시키며, 들판과 과수원에서 과일을 수확하는 등 로봇 시장이 확대됨에 따라 성장할 가능성이 높습니다.
여러 증권사를 통해 로봇 관련 기업에 투자할 수 있으며, securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국, 및 기타 여러 국가에서 이용할 수 있는 증권사에 대한 추천 정보를 확인할 수 있습니다.
개별 로봇 기업 대신 ETF를 검토할 수도 있습니다. 예를 들어 Global X 로보틱스 및 인공지능 ETF(BOTZ), iShares 자동화 및 로보틱스 UCITS ETF(RBOT), ROBO 글로벌 로보틱스 및 자동화 지수 ETF(ROBO) 등이 있습니다. 여러 기업에 분산 투자할 수 있지만 특정 산업에 집중된 위험과 손실 가능성은 남습니다.
소프트 로보틱스 기업
1. Ekso BIONICS
Ekso BIONICS는 의료 및 산업용 외골격을 개발하는 기업입니다. 2012년부터 의료 재활용 외골격을 상용화했으며, EksoNR은 후천성 뇌손상(ABI) 환자의 재활 용도로 FDA 허가를 받았습니다. ABI는 제품명이 아니며, EVO는 별도의 산업용 상체 보조 외골격입니다.
작업/중장비 분야로 확장하고 있지만, 회사는 여전히 치료와 의료 이동성에 주력하고 있습니다.
회사가 2024년 3월 발표한 2023년 매출은 1,830만 달러로, 2022년의 1,290만 달러보다 42% 증가했습니다.
출처: Ekso
최근 Human Motion and Control (HMC) 사업부를 Parker Hannifin Corporation으로부터 인수하여 마비 환자를 위한 전동 외골격을 제품 라인에 추가했습니다.
이 인수는 자체 연구개발과 외부 기술 확보를 결합해 제품군을 확대하려는 전략의 사례입니다. 한 차례의 인수만으로 향후 연속적인 인수나 성장을 보장할 수는 없습니다.
기존 의료 및 산업용 외골격 기술을 바탕으로 향후 연성 로봇이나 폼 유체공학을 검토할 가능성은 있습니다. 그러나 이 연구를 회사가 이미 도입했거나 도입을 확정했다는 근거는 아닙니다.
2. Soft Robotics
Soft Robotics는 비상장 기업으로, ABB의 벤처 투자 부문인 ABB Technology Ventures와 협력해 소프트 그리퍼의 상용화를 추진했습니다. 2018년 ABB가 소개한 협력 사례는 이러한 기술을 기존 산업용 로봇과 결합하는 내용이었습니다.
Soft Robotics의 mGripAI는 식품 처리 등을 위한 소프트 그리퍼에 3D 비전과 인공지능을 결합한 자동화 솔루션입니다. 회사는 ABB의 IRB360 FlexPicker 같은 로봇과 그리퍼를 결합해 활용한 사례도 있습니다.
출처: Soft Robotics
이러한 공압 및 소프트 그리퍼 경험은 새로운 유체 제어 방식과의 결합을 검토하는 기반이 될 수 있습니다. 다만 회사가 이번 폼 유체공학 연구를 실제로 통합했다는 의미는 아닙니다.
다음 동영상에서 mGripAI의 작동 모습을 볼 수 있습니다.
현재 소프트 액추에이터와 그립의 주요 적용 분야는 산업 공정, 특히 식품 산업입니다.
앞으로 인공지능, 머신 비전, 배터리 및 연성 로봇 기술이 발전하면 간호, 소매업, 청소 등 사람의 노동이 중요한 분야에서도 다양한 업무를 지원할 수 있을 것입니다. 모든 업무가 현재 거의 100% 수작업이라는 뜻은 아니며, 실제 활용에는 안전성과 실용성 검증이 필요합니다.
