연구 배경

소프트 로보틱스(Soft Robotics)는 기존의 강체 로봇이 가지지 못한 유연성과 적응성을 갖춘 기술로, 의료, 재활, 산업 자동화 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 크다. 하지만 기존의 소프트 로봇은 구조적 강성이 낮아 무거운 물체를 안정적으로 다루거나 특정한 힘을 유지하는 데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 작업에 따라 강성을 조절할 수 있는 가변 강성(Variable Stiffness) 메커니즘이 활발히 연구되고 있으며, 그중 가장 널리 사용되는 방법 중 하나가 진공 기반 재밍(vacuum-based jamming) 메커니즘이다.

재밍 메커니즘은 부드러운 재료로 이루어진 내부 공간에 작은 입자나 섬유 다발을 넣고, 내부의 공기를 제거하여 입자들이 뭉쳐 마찰력이 증가하여 강성을 높이는 원리를 이용한다. 진공을 해제하면 다시 유연한 상태로 돌아갈 수 있어 소프트 로봇의 강점인 유연성을 유지하고 필요에 따라 강성을 조절하는 데 효과적이다. 하지만 이러한 방식은 설계 단계에서 정해진 방향으로만 강성을 조절할 수 있어 방향성을 변경하기 어렵고, 내부 입자의 정렬 문제로 인해 성능이 불균일해질 수 있다는 한계를 가진다. 이에 본 연구에서는 기존 방법의 한계를 극복하기 위해 프로그래머블 좌굴(programmable buckling) 개념을 도입하여 새로운 가변 강성 메커니즘을 제안한다.

설계 및 메커니즘

그림 1. 소프트 액추에이터의 설계 및 가변 강성 메커니즘

본 연구에서는 사전 변형(Pre-Strain)을 활용하여 좌굴(Buckling)의 방향을 미리 설정함으로써 강성을 조절하는 새로운 메커니즘을 제안한다. 좌굴이 발생하는 방향은 사전 변형이 적용된 위치에 따라 결정되며, 사각 단면 구조에서는 두 가지 방향으로 설정이 가능하다. 이러한 좌굴 현상이 발생하면 구조의 단면 이차 모멘트(Second Moment of Area)가 변하게 되며, 이는 전체적인 강성 변화로 이어진다. 즉, 좌굴이 발생하지 않은 상태에서는 하나의 강성 상태를 가지지만, 좌굴이 형성된 상태에서는 직교하는 두 방향에서 서로 다른 강성을 동시에 나타낼 수 있다. 이러한 강성 조절 메커니즘을 구현하기 위해 오로지 연성 소재로만 구성된 소프트 액추에이터(Soft Actuator)를 설계하였다. 제시한 메커니즘은 총 세 가지 강성 상태를 가질 수 있도록 설계되었으며, 좌굴이 발생한 상태에서 두 가지의 상태와 좌굴이 발생하지 않은 상태에서 한 가지의 상태를 갖는다. 수평 방향으로 좌굴이 발생하는 경우, 수평 방향에 대해 강성이 증가하고, 수직 방향에 대해서는 강성이 감소한다. 반대로, 수직 방향으로 좌굴이 발생하는 경우, 수평 방향의 좌굴 상태에 정 반대에 해당하는 강성 변화를 갖는다. 이를 통해 본 연구는 단순히 강성의 크기를 조절하는 것에서 나아가, 강성이 변화하는 방향까지 능동적으로 제어할 수 있는 메커니즘을 제시하였다.

실험 및 결과

그림 2. 강성 상태에 따른 구동 곡률과 복원력 실험

이러한 개념을 실험적으로 검증하기 위해 각 강성 상태에서의 구동 곡률(Actuating Curvature)과 변위에 따른 반력(Reaction Force)을 측정한 후, 유한요소해석(FEM, Finite Element Method) 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다. 실험에서는 구조물의 구동 성능을 평가하기 위해 특정한 압력을 가하면서 변형된 형상을 추적하였으며, 이를 통해 강성 상태에 따른 곡률 변화를 분석하였다. 그 결과, 압력과 곡률의 비례 관계를 확인하였으며, 특히 낮은 강성 상태에서 가장 큰 곡률 변화를 확인했다. FEM 시뮬레이션 결과 역시 실험과 유사한 경향을 보였다. 또한, 각 강성 상태에서 변위에 따른 반력을 측정하여 강성 조절 효과를 검증하였다. 실험에서는 구조물의 끝단에 일정한 변위를 가한 후 발생하는 반력을 측정하였으며, 그 결과, 낮은 강성 상태와 높은 강성 상태 간의 반력 차이는 실험값 기준 약 2.87배로 나타났다. 이는 본 연구에서 제안한 가변 강성 메커니즘이 실질적인 강성 변화를 유도할 수 있음을 입증하는 결과이다. FEM 시뮬레이션과의 비교에서도 유사한 경향이 확인되었으며, 이러한 실험적 검증을 통해 제시한 프로그래머블 좌굴 기반 가변 강성 메커니즘이 설계된 대로 강성을 능동적으로 조절할 수 있음을 확인하였다.

그림 3. 강성 상태의 다양한 조합을 갖는 소프트 그리퍼의 파지 실험

추가적으로, 본 연구에서 개발한 소프트 액추에이터를 활용하여 소프트 그리퍼(Soft Gripper)를 구성하고 파지 성능을 평가하였다. 실험 결과, 강성 상태를 조합함으로써 단단한 물체부터 깨지기 쉬운 달걀까지 다양한 재료적 특성과 형상을 가진 물체를 안정적으로 파지할 수 있음을 확인하였다. 또한, 한쪽 손가락의 강성을 높이고 반대쪽을 낮춘 상태에서는 물체를 특정 방향으로 회전시키면서 파지할 수 있는 기능도 가능함을 검증하였다.

향후 연구

본 연구에서 개발한 프로그래머블 좌굴 기반 가변 강성 메커니즘이 강성 조절에 효과적으로 작용함을 실험적으로 검증하였다. 향후 연구에서는 설계 최적화를 통해 강성 변화를 극대화하고, 소형화를 통해 보다 정밀한 동작이 가능한 소프트 그리퍼를 개발할 계획이다. 또한, 접촉면 설계를 개선하여 강성 상태에 따른 마찰력 차이를 보완하고, 다양한 파지(gripping) 방식에 적합한 다기능적 그리퍼를 구현할 예정이다. 마지막으로, 본 연구에서 제시한 액추에이터를 직렬 연결하여 모듈마다 가변 강성이 가능한 소프트 매니퓰레이터를 연구하고자 한다.