한국기계연구원은 나노역학장비연구실 현승민 책임연구원·성균관대 이후정 교수 공동연구팀이 리튬이온배터리의 신뢰성·성능을 높일 새로운 배터리 전극(음극) 구조를 개발했다고 17일 밝혔다. 전극을 두껍게 만들면 더 많은 에너지를 저장할 수 있으나 저항이 커지면서 성능이 떨어지는 문제가 있다. 이에 연구팀은 리튬이온배터리 전극이 두꺼워도 고성능·고신뢰성을 유지하는 디자인·공정 기술을 개발하기 위해 음극을 이중 층으로 구성했다. 이어 이온·전기 전도성이 향상된 작은 소재가 용량이 큰 소재 사이사이에 존재할 수 있게 요철 형태로 설계했다. 이로 인해 전극이 두꺼워져도 전극 전체가 높은 에너지 밀도를 유지하고, 균일한 반응 안정성을 가질 수 있어 성능·수명 증가에 도움이 된다고 연구팀은 설명했다. 현승민 책임연구원은 "기존 리튬이온배터리 소재와 공정을 활용하면서도 새 디자인 설계를 적용해 배터리 성능·수명을 증가시켰다"며 "스마트폰·노트북 같은 전자기기는 물론 고출력 환경에서도 높은 에너지 밀도가 요구되는 전기자동차와 소프트 로봇에 적용할 수 있도록 노력하겠다"고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 '나노 및 소재 기술개발사업' 및 기계연 기본사업 '나노기반 옴니
식물 뿌리가 돌을 뚫고 자라는 원리 착안, 수중 탐사 및 건축 등에 활용 기대 소프트 액추에이터는 유연하고 신축성 있는 재료로 만든 구동 장치로, 소프트 로봇의 움직임을 담당한다. 특히 하이드로젤은 뛰어난 생체 적합성 및 자극 응답성을 갖춰 미래형 로봇을 위한 소프트 액추에이터의 재료로 주목받고 있다. 하지만 기존 소프트젤 액추에이터들은 근본적으로 느리고 약하다는 한계가 있어, 인공 근육이나 생체 모방형 로봇 등의 미래 산업 분야에 활용하기 힘든 단점이 있었다. 서울대학교 공과대학은 선정윤 재료공학부 교수와 김호영 기계공학부 교수 연구팀(제1저자 : 나현욱, 강용우, 박창서, 정소현 연구원)이 벽돌도 깰 만큼 큰 힘을 짧은 시간에 내는 소프트젤 액추에이터를 개발했다고 15일 밝혔다. 이번에 개발된 소프트젤 액추에이터는 질긴 세포벽 안에 말랑말랑한 물질이 든 식물의 세포 구조에서 착안해 기존의 젤보다 훨씬 큰 힘을 빠르게 낼 수 있는 점이 특징이다. 선정윤-김호영 교수 연구팀이 개발한 소프트젤 액추에이터는 단순한 구조와 함께 외부 동력원 없이도 매우 큰 힘을 낼 수 있다. 식물 세포는 세포 안으로 물이 빨려 들며 올라가는, 내부 압력을 질긴 세포벽이 견딜 수
헬로티 김진희 기자 | 과학기술정보통신부는 아주대학교 한승용․강대식․고제성 교수 연구팀이 사람 손 형상을 닮은 초소형 소프트 로봇(그리퍼)을 개발했다고 밝혔다. 돼지 혈관이나 달팽이 알처럼 조심스럽게 다뤄야 하는 대상을 부드럽게 잡고 맥박이나 심장박동 같은 실시간 생체신호를 측정할 수 있는 다섯 손가락 형상의 초소형 로봇을 개발한 것이다. 과학기술정보통신부 개인기초연구(신진연구) 사업의 지원으로 수행된 본 연구 성과는 로봇 분야 세계최고 권위 학술지인 국제학술지 사이언스 로보틱스(Science Robotics)에 10월 14일 4시(한국시간) 게재되었다. 기존 그리퍼는 단순히 대상을 잡기 위한 용도로서 주로 단단한 물질로 만들어져 부드러운 대상을 잡는데 한계가 있었으며, 대상으로부터 신호를 받을 수 있는 센서를 함께 구현하려면 부피가 커져 작은 대상을 잡는데 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 단단함과 부드러움을 조절할 수 있는 소재인 형상기억폴리머를 채택하여 피부의 성질과 비슷한 기계적 특성을 구현하고, 아주 얇은 은나노선과 레이저 공정을 활용하여 센서의 크기를 줄여 로봇의 크기를 길이 5mm 이하로 줄이는 데 성공했다. 그리퍼에 탑재된 센서는 잡고 있는 대상
헬로티 이동재 기자 | 한국기계연구원(이하 기계연)이 부드럽게 휘어지면서 늘어나는 유연 신축 배터리를 개발했다. 소프트 로봇부터 웨어러블기기까지 다양한 형태의 기기에 적용해 에너지 저장 소자나 재난 환경 등 다양한 목적으로 활용될 것으로 기대된다. 기계연 나노역학장비연구실 장봉균 선임연구원, 현승민 책임연구원 연구팀은 뱀의 비늘 구조에 착안해 안전성과 유연성을 갖는 신축성 배터리 구조를 개발하고 연구성과를 소프트 로봇 분야의 권위있는 저널 ‘소프트 로보틱스’ 온라인에 8월 16일 발표했다. 뱀의 비늘은 하나하나는 단단하면서도 서로 접혀 외부 충격을 방어할 수 있을 뿐만 아니라 유연하게 움직이면서 높은 신축성을 구현하는 구조적 특성을 갖는다. 연구팀은 뱀의 비늘 구조를 모사한 기계적인 구조체를 제작해 원하는 방향으로 쉽게 늘어나면서도 높은 안전성과 성능을 확보한 배터리를 개발했다. 제품 본체와 배터리가 단단하게 결합한 기존 웨어러블 기기와 달리, 여러 개의 작고 단단한 배터리를 마치 비늘 같은 구조로 연결하여 유연하게 움직일 수 있는 것이 특징이다. 동시에 안전성을 구현하기 위해 배터리 내부 전지 소재의 변형을 최소화하는 구조를 적용하고 작은 크기의 배터리에
[헬로티] 소프트 로보틱스는 로보틱스의 새로운 전개로서 뿐만 아니라, 유연한 고분자 재료와 플렉시블 일렉트로닉스의 새로운 응용처로서 주목받고 있다. 부드러움에 의해 변형 능력을 얻은 로봇은 무엇이 기존의 로봇과 다른 것일까? 이 질문에 대답하기 위해서는 물리적 특성의 차이를 지적하는 것만으로는 충분하지 않다. 그래서 질적인 전환을 설명하는 사상적인 지주로서 소프트 로봇의 ‘신체성’을 생각하고 싶다. 신체성(embodiment)은 신체성 인지 과학(embodied cognitive science)을 배경으로 한 용어이다. 그 해석은 학술 분야나 연구자에 따라 다르다. 신체성의 가장 소박한 출발점은 자율 시스템의 동작에서 신체가 하는 역할에 대한 깨달음이다. 여기서는 소프트 로보틱스에 있어 신체성의 여러 가지 측면을 이하와 같이 독자적으로 분류한다. 첫 번째로, 신체는 계면(interface)을 만든다. 계면의 접촉으로 힘의 교환이 이루어진다. 미지 환경을 탐색할 때에는 신체 표면은 미지와 기지의 계면이다. 신체에 의해 자기와 타자, 개인과 환경의 관계가 일어난다. 접촉 안전성은 소프트 로봇에게 기대되는 기능의 하나이다. 소프트 로봇의 신체
[헬로티] 소프트 로보틱스의 제어로서 필자 등이 효과적이라고 생각하는 것이 자율 분산 제어이다. 왜냐하면, 뇌도 신경도 없는 단세포 생물로부터 포유류에 이르기까지 유연한 신체를 가지고 있는 생물이 자율 분산 제어를 채용하고 있기 때문이다. 자율 분산 제어란 단순한 지각․판단․동작 출력의 기능을 가지는 요소(자율개)가 여러 개 모여 상호작용하는 것으로, 대역적으로 비자명한 기능을 창발시키는 제어 방법이다. 이와 같은 특성 때문에 내고장성, 확축성, 환경적응성을 나타내며, 기존의 중앙 집권형 제어 시스템에서는 다루기 어려웠던 대자유도를 제어하는 수단으로서 주목받아 왔다. 신장, 굽힘, 뒤틀림 등 다채로운 변형 모드와 대자유도, 비선형의 동적 점탄성 특성, 이러한 소프트 로봇이 선천적으로 가지는 복잡한 특성을 있는 그대로 수용해 생물 시스템에 필적하는 인공물을 만들어내기 위해서는 생물이 채용하고 있는 자율 분산 시스템을 소프트 로봇에 실장할 필요가 있다. 이 글에서는 필자 등의 소프트 로봇에 자율 분산 제어를 도입한 사례를 소개하면서, 그 한계를 논의한다. 그리고 그 한계를 깨기 위한 어프로치도 소개한다. 소프트 로보틱스의 재미있는 점은 딱딱
[첨단 헬로티] 현재 부드러운 구조와 소프트 액추에이터의 연구에 의해 유연한 움직임을 실현하는 소프트 로봇의 개발이 진전되고 있다. 유연한 움직임은 환경에 대해 높은 적합성을 나타내기 때문에 사람과 기계가 위화감 없이 공존할 수 있는 기술을 실현할 가능성이 있다. 필자 등은 기계를 구성하는 가장 기본적인 부품의 하나인 모터에 주목했다. 그래서 그림 1에 나타낸 부드럽게 변형 가능한 모터를 실현할 수 있다면, 지금까지 없는 응용 전개를 기대할 수 있다고 생각했다. 필자 등의 주안점은 지금까지의 기계 기술과 부드러움의 융합이다. 회전 운동과 소프트 머티리얼을 조합할 수 있다면, 환경에 유연하게 적응하는 새로운 로봇이나 기계를 창조할 수 있는 가능성이 있다. 필자 등이 목표로 하는 부드럽게 변형 가능한 모터는 회전과 굴곡을 동시에 조작할 수 있기 때문에 문어의 다리나 뱀의 몸과 같은 유연한 움직임을 실현할 수 있다. 또한, 타이어․프로펠러를 이용한 이동, 굴삭기․연마기를 이용한 가공 등 기존의 기계 기능도 가지고 있다. 즉, 기계와 생물의 특징을 겸비한 모터이다. 유전 엘라스토머 액추에이터 유전 엘라스토머 액추에이터(Dielectric Ela
[첨단 헬로티] 생물처럼 유연한 움직임을 하는 부드러운 기구, 기계를 만드는 것. 이 문제에 대해 옛날부터 많은 기계 메이커, 전기 메이커, 제어 메이커가 매료되어 낭만을 느끼고, 수많은 도전을 다양한 방식으로 지금도 끊임없이 계속하고 있다. 필자도 그 중 한사람이다. 현재 이러한 소프트 로보틱스 영역이 재료과학, 정보과학, 생명과학, 의학 연구원도 끌어들여, 다른 분야가 융합돼 세계의 여러 가지 과학 기술, 학술계에 영향을 미치는 최첨단 분야로 성장해 온 것은 아닐까 하는 큰 흐름을 느낄 수밖에 없게 됐다. 이 글에서는 필자 등이 대응해 온 근세포 중에서도 심근세포에 주목한 바이오 액추에이터 기구의 탄생에서부터, 골격근세포 액추에이터, 곤충 근세포에 의한 바이오 액추에이터, 생명기계 융합 웨트 로보틱스에 대해 소개하고, 이 분야의 위치매김, 앞으로 더욱 발전하기 위해 필수적인 과제, 전개에 대해 다루어 본다. 바이오 액추에이터 탄생 연구의 세계에 입문하게 된 계기는 ‘미세한 기계’, ‘보이지 않는 기계’, ‘마이크로 로봇’에 관심을 가진 것으로부터 시작됐으며, 실제로는 후쿠다 토시오 선생, 아
[첨단 헬로티] 겔 로봇의 연구–전장 응답성 고분자 겔을 이용한 유연 기계 구성법의 연구-는 1998년 대학원 석사과정 1년째일 때, 학위 연구의 주제로 시작했다. 2003년에 Modelling, Design, and Control of Electroactive Polymer Gel Robots이라는 학위 논문을 제출해 박사(공학) 학위를 받았다. 이것이 소프트 로보틱스 분야를 표현하는 말이 존재하지 않았던 시대에 쓰여진 현재에서 말하는 소프트 로보틱스 연구, 특히 전장 응답성 고분자 겔을 이용한 소프트 로보틱스에 관한 세계 최초의 논문이라고 할 수 있을 것이다. 그 후, 연구 주제의 변천을 거쳐 현재는 고령자의 인지 기능 저하 및 인지증 예방을 주된 목적으로 하는 인지 행동 지원 기술을 연구하고 있다. 현재의 연구 주제는 아직 분야로서 확립되어 있는 것은 아니지만, 조만간 소프트 로보틱스와 같은 한 분야의 원류가 될 것이라고 생각한다. 완전히 다른 주제로 보이지만, 겔 로봇의 연구는 물질과 기계의 유연성을 다루고 있는 것에 대해, 인지 행동 지원 기술의 연구는 인지와 사고의 유연성을 다루고 있으며 그 본질은 공통되어 있다. 대학원 시절 겔이라는
[첨단 헬로티] 소프트 로보틱스 관련 연구에 주목이 집중되어 국제 논문지나 학회, 서적 등이 잇따라 발표되고 있다. 많은 연구자들의 주목을 모으고 있는 것은 이 분야가 로보틱스에 한정되는 것이 아니라, 지적 재료나 화학, 생물학 등의 분야에 대한 연구와 깊은 관계를 가지고 있기 때문이라고 생각된다. 로보틱스 연구자는 소프트 로보틱스라는 새로운 학제적 분야에 어떻게 공헌하며, 지위를 획득해 갈 것인가에 대해 충분히 생각하고 밝혀야 할 단계가 됐다고 할 수 있다. 필자의 연구그룹에서는 20년 정도 전부터 생물 규범 연구의 중요성에 주목, 많은 로봇을 만들어 여러 가지 가설을 제안해 왔다. 연구를 시작한 당초에는 로봇을 완전히 제어할 수 없어 수동성과 부드러움을 중시하는 방법은 비교적 많은 비판을 받았지만, 소프트 로보틱스가 확산됨에 따라 점차 연구의 중요성이 인식되어 온 것은 아닐까 생각한다. 부드러운 휴머노이드에 관한 연구의 중요성에 대해서는 일반용 해설도서에 자세하게 서술되어 있으므로 참고하기 바란다. 이 글에서는 필자의 연구그룹에서 지금까지 개발해 온 인공근육에 의해 구동되는 근골격 로봇 대해, 어떠한 동기와 목적으로 개발하고 어떠한 지식을 얻었는지를 시계
[첨단 헬로티] 왜 그런지 잘 모르겠지만, 액추에이터 개발의 역사에는 부활극이 많다. 한 번 ‘부적합 낙인’이 찍힌 액추에이터가 시간이 지나면서 주변 기술의 발전과 사회 요구의 변화에 따라 부활한다. 예를 들면 정전 액추에이터는 힘이 너무 작아 오랫동안 내버려져 있었는데, 1980년대 후반 MEMS 기술의 전개와 함께 마이크로 영역에서 유용성이 평가되어 일약 실용 액추에이터의 하나로 도약하게 된다. 전기자동차의 역사는 오래됐지만, 오랫동안 거의 실용화되지 못했다. 그러나 전지 기술의 발달과 지속적인 사회를 목표로 하는 요구로 인해 최근 크게 부활하고 있다. 유압 액추에이터는 1990년 지나서는 로보틱스 세계에서 대부분 모습을 감추었는데, 최근 보스턴다이내믹스사의 훌륭한 로봇들과 원격시공 건설기계의 요구로 다시 주목받고 있다. 히구치 토시로우 박사(도쿄대학 명예교수)는 이 부활극에 대해 ‘온고지신(溫故知新)’이라는 말을 사용하고 있다. 오래된 기술에 생각하지 못했던 힌트가 숨겨져 있는 경우가 있고, 새롭다고 생각해도 실제로는 이미 연구되어 있는 경우도 많으므로 연구를 시작하기 전에 과거의 연구를 잘 조사해 보라고 하는
[첨단 헬로티] 필자가 뱀 로봇의 연구를 시작한 것은 1971년에 도쿄공업대학의 제어공학 전공 석사 과정에 입학했을 때부터이다. 대학(요코하마국립대학)에서는 기계공학을 공부했고, 졸업 연구는 그즈음 조교수였던 토도 이사오 선생의 밑에서 신뢰성공학의 최적화 문제를 연구했다. 대학 분쟁의 영향으로 연구 기간은 반년 정도로 짧았지만, 해외 논문에 실린 동적계획법으로 푼 신뢰성의 최적화 문제를 독자의 계산 알고리즘을 생각해 계산한 결과, 보다 정도가 좋은 해답을 유도할 수 있다는 것을 발견해 졸업 논문을 쓰기도 했다. 단, 이 방법은 나중에 최급강하법의 일종이라는 것을 알았기 때문에 대단한 연구는 아니었다. 이러한 해석적인 연구도 좋지만, 대학원에서는 뭔가 전혀 새로운 것을 만들 수 있는 연구를 하고 싶다고 생각했다. 마침 그즈음 도쿄공업대학 교수인 모리 마사히로 선생 등의 ‘로봇-그 기술과 미래’(NHK출판)을 읽었는데, 그 안에 나와 있는 ‘부드러운 기계’라고 하는 개념이 재밌다고 생각했다. 기존 기계의 개념과는 다르게 움직임의 정확성도 스피드도 없는 흐늘흐늘한 기계가 좋다는 이야기였다. 그래서 대학원은 도쿄공업대학에
[첨단 헬로티] 최근 ‘부드러운 로봇’이 주목받아 Science Robotic지나 전문지 Soft Robotics에서 논문이 많아지고 있다. 특히 하버드대학, 케임브리지대학 등 지금까지 로보틱스에는 소극적이었던 대학이 중점을 두고 있다. 그러나 부드러운 로봇은 결코 새로운 주제도 아니고, 1960년대 초반부터 일본에서 활발히 연구되고 있었다. 대표적인 연구로는 도쿄대학 생산기술연구소의 모리 마사히로 조교수(당시)의 인공근육이나 도쿄공업대학의 우메타니 요우지 연구실의 뱀 로봇, 전복 로봇, 대장의 연동운동, 그리고 오사카대학 생물공학과 스즈키 료지 실험실의 불가사리 로봇 등이 있다. 대부분은 영어 논문이나 로보틱스의 저명한 국제회의에서 발표됐다. 그러나 시대가 너무 일러 네트워크나 데이터베이스도 없는 시대였기 때문에 인용되지 않았던 것이 많이 아쉽다. 계측자동제어학회가 발족된 지 얼마 되지 않은 때로, 로봇학회도 존재하지 않았지만 당시의 로봇 연구자는 생물물리학이나 신경생리학, 인공장기 등의 연구자와 교류가 활발했다. 새로운 분야의 야심찬 젊은이, 중견 연구자가 소속 학회를 초월해 합숙적인 연구회를 갖고, 공사에 걸친 교류를 지속하고 있었
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