스프링을 활용한 로봇공학 전반의 에너지 소비 감소

지난 주 국립 과학 재단(National Science Foundation)에서 지원한 연구 프로젝트가 스프링이 미래에 모터를 보다 효율적으로 만들 수 있는 방법에 대한 통찰을 제공했습니다. 이 연구는 두 명의 기계공학자, 에레즈 크림스키(Erez Krimsky)와 스티븐 H. 콜린스(Steven H. Collins)가 발표했습니다. 그들의 보고서에서는 스프링 하이브리드 모터의 장점에 대해 자세히 설명하고, 작동하는 프로토타입을 공개했습니다.  알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

스프링이 해답이 될 수 있는 이유

스프링은 모터가 마모되거나 대량의 에너지를 필요로 하는 문제에 대한 가능성이 낮은 해결책처럼 보일 수 있습니다. 그러나 몇몇 독특한 특성 때문에 스프링은 이 작업에 이상적입니다. 우선, 에너지를 소비하지 않고 토크를 생성할 수 있습니다.

스프링은 늘어날 때 거의 손실 없이 탄성 에너지를 저장할 수 있습니다. 이 탄성 에너지는 효율적으로 직접 기계적 힘으로 변환될 수 있습니다. 또한, 필요에 따라 스프링을 조정하거나 함께 사용하여 토크를 증가하거나 감소시킬 수 있습니다.

극복해야 할 과제들

과거에도 스프링이 에너지를 저장하고 변환할 수 있는 잠재력을 인식한 직관적인 사고를 가진 이들이 있었습니다. 그러나 이러한 과거 프로젝트가 성공하려면 극복해야 할 뚜렷한 과제들이 있었습니다. 그 중 하나는 스프링을 제어하기가 매우 어렵다는 점입니다.

맞습니다, 스프링을 당기면 다시 튕겨 나옵니다. 문제는 수천 번, 수백만 번 사용해도 동일한 속도로 튕겨 나오는 스프링을 만드는 것입니다. 따라서 엔지니어들이 먼저 해결해야 했던 일은 통합하려는 스프링을 어떻게 제어할지였습니다.

새로운 스프링 설계

잠시 논의한 후, 새로운 설계가 필요하다고 판단했습니다. 프로젝트를 위해 완전히 새로운 경량 탄성 에너지 활성화 스프링 시스템을 만들었습니다. 이 스프링은 프레임에 팽팽하게 늘어지는 탄성 소재로 제작되었습니다. 전류가 가해지면 스프링이 다시 당겨져 조여집니다. 이 전략을 통해 개발자들은 네 개의 스프링을 나란히 쌓을 수 있었습니다.

다중 스프링을 사용하면 모터에 추가 토크와 제어 옵션을 제공할 수 있습니다. 전력 요구가 증가할 때 하나 또는 여러 개의 스프링을 작동시킬 수 있습니다. 이 접근법을 통해 향후 상업 및 로봇 응용 분야에 사용할 수 있는 작은 버전의 모터를 만들 수 있었습니다.

프로토타입 – 재활용 액추에이터

병렬 탄성 액추에이터 모터의 공식 프로토타입이 이미 테스트 단계에 들어갔습니다. 이 작은 모터는 병렬로 작동하는 네 개의 정전식 스프링을 통합합니다. 이러한 구조는 모터가 스프링을 활용해 작업 부하를 낮추고, 출력을 늘리며, 기계적 마모를 감소시킬 수 있게 합니다.

시험 결과가 기대감을 보여줍니다

보고서는 프로토타입에서 인상적인 시험 결과를 보여주었습니다. 개발자들은 액추에이터를 여러 순환 테스트 케이스에 적용해 스프링이 장치에 미치는 영향을 평가했습니다. 처음부터 스프링이 효율성을 크게 향상시킨다는 것이 명확했습니다.

더 흥미로운 점은 개발자들이 스프링이 모터의 기어박스처럼 작동하여 기어를 전환해 더 큰 토크를 얻을 수 있다는 것을 발견한 것입니다. 토크를 변경하기 위해 기계식 클러치를 필요로 하는 전통적인 기어박스와 달리, 이 설계는 필요할 때 작동하는 전기 클러치를 매끄럽게 통합합니다.

전기접착 클러치

스프링을 장력 상태로 고정하기 위해 전기접착 클러치를 쌍으로 사용하는 것이 주요 혁신이었습니다. 이 클러치는 무게를 줄이기 위해 가능한 한 얇게 설계되었습니다. 유전체 코팅이 되어 있어 전하가 없을 때 마찰 없이 통과할 수 있습니다. 특히 전압이 가해지면 클러치가 제자리에 고정됩니다.

이러한 전기 클러치는 최소 전력만 필요로 하며 거의 즉각적인 반응성을 제공합니다. 또한 기계식 옵션에 비해 높은 효율성을 제공하고 저렴하게 생산될 수 있습니다. 이러한 요인으로 전기 정전식 스프링 모터에 적용되는 것이 표준이 될 수 있습니다.

스프링 모터가 시장에 가져다 주는 이점

이러한 형태의 모터가 시장에 제공하는 이점은 많습니다. 우선, 시장의 거대한 분야에서 효율성을 향상시킵니다. 이 장치는 에너지 효율적이고 지속 가능하도록 설계되었습니다. 또한 경량 설계 덕분에 운송이나 작동에 필요한 에너지가 크게 감소합니다.

모터 마모 감소

이러한 형태의 모터가 제공하는 또 다른 주요 장점은 마모를 감소시킨다는 것입니다. 오늘날 모터는 기계적 움직임의 모든 측면을 담당합니다. 이는 조립 라인에서 부품을 찍어내는 모터가 찍어내는 동작과 그 후에 스탬프를 들어올리는 데 에너지를 사용한다는 의미입니다.

같은 로봇을 상상해 보세요. 이제는 단지 눌러 찍기만 하면 됩니다. 스프링이 작동해 판을 다시 들어올립니다. 이러한 스프링 통합 방식은 작동 사이클의 절반을 없애 모터 마모를 크게 줄일 수 있습니다. 또한 열 마모도 감소시킵니다. 뜨거운 모터는 효율이 떨어지고 고장이 발생하기 쉬워집니다.

이론적으로 스프링 구동 모터는 완전 기계식 모터보다 두 배 이상 오래 지속될 수 있습니다. 작동에 필요한 에너지가 적고 이동 중에도 운송 및 운영이 용이합니다. 이러한 요인들은 더 많은 연구자들이 이 분야에 깊이 파고들게 합니다.

다재다능성

연구자들의 스프링 모터는 다재다능함을 입증했습니다. 기계적 설계 덕분에 각 스프링을 필요에 따라 개별적으로 작동하거나 해제할 수 있습니다. 이 구조는 정밀 제어를 제공하고 에너지 손실을 없앱니다.

로봇공학이 확장됨에 따라 정밀한 모터 기술을 갖춘 장치에 대한 지속적인 수요가 있습니다. 놀랍게도, 달걀을 깨지 않고 집어올릴 수 있는 로봇보다 차를 들어올릴 수 있는 로봇을 찾는 것이 더 쉽습니다. 스프링 액추에이터 모터는 무게를 추가하지 않으면서 필요할 때 정확한 미세 압력을 적용할 수 있게 해 주어 이 과제의 누락된 연결 고리가 될 수 있습니다.

높은 에너지 효율성

스프링을 사용해 모터의 작동 사이클을 단축하는 것은 타당하며, 데이터가 이를 입증합니다. 연구 보고서는 그들의 모터가 평균 50%의 에너지 소비를 감소시켰다고 보여줍니다. 연구에 따르면 작업에 따라 전력 절감량이 최대 97%에 달할 수 있습니다. 따라서 이러한 모터가 언젠가 장치를 더 멀리, 더 오래 작동하게 할 것이라는 기대가 크게 부풀어 있습니다.

에너지를 효율적으로 저장

또 다른 큰 이점은 엔지니어가 탄성 에너지 회수를 통합해 배터리를 구동할 수 있다는 점입니다. 스프링은 기계식 배터리로 사용되거나 기존 배터리와 결합해 저장 및 변환 효율을 향상시킬 수 있습니다. 엔지니어가 저전력 클러치를 사용하는 사례는 이 기술이 미래 배터리에 전력을 공급할 수 있는 방법을 보여줍니다.

시장에 미치는 영향

이 최신 개발은 로봇에 의존하거나 의존도가 증가하고 있는 다양한 시장을 뒤흔들 잠재력을 가지고 있습니다. 스프링 모터는 충전 없이도 장시간 작업을 수행할 수 있는 저에너지 로봇 시스템을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

기술 혁신은 이미 진행 중이며 일상적인 로봇이 인간의 일상 업무를 점점 더 대체하고 있습니다. 이러한 장치가 주변을 인식하고, 기능을 추가하며, 인간과 유창하게 소통하는 방법을 배우면서 저전력 모터에 대한 수요는 기하급수적으로 증가할 것입니다.

제조

제조 및 산업 부문은 수십 년 동안 저전력 로봇을 찾아왔습니다. 대기업들은 이미 로봇 인프라에 수십억 달러를 투자했습니다. 초기 로봇은 수십억을 절감했지만 설계상 많은 에너지와 유지보수가 필요했습니다.

다음 세대 로봇은 운영 비용이 적게 들고, 더 똑똑하며, 유지보수가 적게 필요합니다. 이러한 장치는 이미 고급 AI 시스템을 활용해 시장에 진입하고 있습니다. 앞으로 스프링 모터는 제조업체가 비용을 절반으로 줄이고 제품 품질을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다.

헬스케어

로봇공학을 떠올릴 때 헬스케어가 가장 먼저 생각나는 산업은 아닐 수 있습니다. 로봇 헬스케어 통합은 수십 년째 진행되어 왔으며, 이번 최신 개발은 이를 가속화할 수 있습니다. 스프링 모터의 경량 및 내구성은 언젠가 보조기나 외골격을 보다 접근하기 쉽게 만들 수 있습니다.

로봇은 이미 도와주고 장애인들이 보다 만족스러운 삶을 누리도록 돕고 있습니다. 이러한 장치를 더 가볍고 효율적으로 만들면 새로운 사람들이 도움을 받을 수 있는 문이 열립니다. 특히, 로봇과 헬스케어를 결합해 삶을 개선하는 다양한 흥미로운 헬스케어 프로젝트가 진행 중입니다.

AI가 열쇠가 될 수 있다

전기 정전식 스프링을 사용해 모터 작업 부하를 경감하는 것은 진정한 지속 가능한 로봇을 만드는 데 큰 진전입니다. 이 방정식의 다른 측면은 이러한 장치에 사용되는 재료의 한계와 능력을 규명하는 것입니다. AI는 이 여정에서 귀중한 도구임이 입증되었습니다.

AI는 새로운 설계를 개발·구성하고, 가상으로 시나리오를 테스트하며, 딥러닝 알고리즘을 프로그래밍하는 데 도움을 주었습니다. 이러한 발전이 결합되어 AI 로봇공학을 다음 경계로 이끌고 있습니다.

로봇공학 시장의 움직임

한눈만 봐도 로봇공학 분야가 기술 분야에서 가장 뜨거운 시장 중 하나임을 알 수 있습니다. 운영 비용 절감을 위해 이러한 장치를 도입하려는 대기업부터 기술의 한계를 뛰어넘는 스타트업까지, 주목할 만한 프로젝트가 많이 있습니다. 다음은 주목해야 할 몇몇 로봇 기업들입니다.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) 는 1988년에 설립되어 스위스에서 운영되고 있습니다. 이 회사의 로봇 부문은 수십 년 동안 시장을 선도해 왔습니다. ABB 로봇은 전 세계에서 찾아볼 수 있습니다. 제조사는 현재까지 50만 대 이상의 유닛을 생산·출하했습니다.

ABB는 전 세계적으로 최고 실적을 내는 제조업체 중 하나입니다. 이 회사는 1만 1천 명 이상의 전문가를 고용하고 53개국 이상에서 사업을 운영하고 있습니다. 오늘날에도 산업 파트너에게 다양한 로봇 솔루션을 제공하는 선구적인 힘으로 남아 있습니다.

2. KUKA

KUKA는 2016년에 중국 Midea Group에 인수된 독일의 로봇 제조업체입니다. 이 회사는 완전 자동화와 중앙 제어 옵션을 포함한 지능형 로봇 솔루션을 제공합니다. KUKA는 혁신을 이끄는 핵심 동력으로, 단순 로봇부터 전체 시스템에 이르는 솔루션을 제공하고 있습니다.

KUKA는 1만4천 명 이상의 로봇 전문가를 고용하고 연간 32억 달러 이상의 매출을 기록하고 있습니다. 품질과 혁신에 대한 헌신 덕분에 이 제조사는 로봇 시장에서 가장 인지도가 높은 이름 중 하나가 되었습니다. 소비자 수요에 맞춰 운영을 확대함에 따라 이 그룹의 성장도 기대됩니다.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics는 방위 및 우주 탐사 분야의 주요 기업입니다. 인상적으로도, 이 그룹은 과거에 여러 차례 NASA와 협력해 왔습니다. 또한 현재 연구원들과 협력해 저중력 환경 등에서 작동할 수 있는 로봇 채굴 시스템을 개발하고 있습니다.

HoneyBee의 지능형 굴착 시스템은 이미 국제적으로 사용되고 있습니다. 이 제품들은 넓은 영역에서 실시간으로 시추 및 샘플 테스트를 쉽게 수행할 수 있게 합니다. 또한 현장에서 군인을 지원하도록 설계된 방위 로봇도 제작합니다.

경계를 넓히는 스타트업

로봇 분야의 많은 발전은 시장에 진입하는 스타트업 수가 증가함에 따라 이루어지고 있습니다. 이들 기업은 창의적인 전략과 비즈니스 모델을 통해 로봇 경험을 새로운 차원으로 끌어올리고자 합니다.

OutRider

무더운 여름날 잔디를 깎는 것은 특히 지속적인 관리가 필요한 넓은 정원을 가지고 있다면 고문과도 같습니다. OutRider는 지능형 조경 로봇을 도입해 이 문제를 해결합니다.

이 장치들은 실시간 현장 구조를 생성해 복잡한 동작을 수행할 수 있게 합니다. 또한 대형 작업을 더 빠르게 완료하기 위해 협업할 수도 있습니다. 거대한 부동산이나 사업체를 유지 관리하는 데 수천 달러를 쓰는 사람들에게 이러한 고효율 로봇 조경 솔루션은 큰 의미가 있습니다.

스프링으로 움직이는 로봇

스프링을 활용하는 개념이 로봇공학을 앞당기는 최고의 방법 중 하나로 다시 부상한 것을 보는 것은 흥미롭습니다. 이러한 시스템은 엔지니어링 정신을 구현하며 수백만 사람들의 삶을 더 편리하게 만들 수 있습니다. 이러한 이유로, 저전력 로봇을 현실로 만들기 위해 함께 노력한 연구자들과 모든 이들에게 축하의 말을 전해야 합니다.