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깊이 제어 메커니즘을 갖춘 수중 로봇 연구
왕 웨이 교수(한양대학교 기계공학과) / davidwang at hanyang.ac.kr / 서면 인터뷰

소프트 로봇을 개발하기 위한 핵심 과제는 센서(sensor), 액추에이터(actuator) 및 컴퓨팅(computation) 등이 통합된 소재를 사용하여 로봇의 유연한 몸체가 원하는 움직임을 구현하는 것입니다. 특히 소프트 바디를 제어가 용이하도록 설계 및 개발 하는 것이 매우 중요한데요.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 왕웨이 교수(한양대학교 기계공학부)는 중국인으로 생체 모방 및 소프트 로보틱스 시스템(Bioinspired & soft robotic systems), 스마트 구조 및 장치(Smart structures & devices), 생체 모방 로봇 재료(Bioinspired robotic materials) 연구하고 계십니다. 최근 수중로봇에 대한 연구로 Materials Horizons에 게시되며 소프트 기관차 로봇 등을 연구 진행 중이라고 합니다. 수중 로봇 연구 및 생체 모방 및 소프트 로보틱스 시스템에 대해 이야기해보도록 하겠습니다.


1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

저희 소프트 로보틱스 연구실에서는 자연모사 기법, 스마트 재료, 스마트 제조 기법을 활용하여 소프트 로봇, 소프트 엑추에이터, 웨어러블 장치 등을 개발하고 있습니다. 소프트 로봇이라는 분야가 생소하신 분들도 많을 것이라고 생각합니다. 소프트 로봇 분야는 기존 강체 로봇 분야와 비교했을 때 여러 가지 장점이 있습니다. 소프트 로봇은 형태 변형이 자유로워 주어진 작업 환경에 따라 유연한 움직임을 구사할 수 있고, 또한 외부의 충격이나 충돌 인해 발생하는 고장을 현저하게 줄일 수 있습니다. 이러한 소프트 로봇은 유연한 특성들을 활용함으로써 소프트 그리퍼, 차세대 웨어러블 시스템, 유연한 의료용 장치, 생태계 탐사 로봇과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있는 유망한 분야입니다.




2. 소프트 로봇은 완벽한 프로그래밍으로 로봇의 모든 움직임을 제어하기 보다는 재료의 유연한 특성에 맞도록 유도하는 것이 개발상의 특징이라고 하는데요. 교수님께서 개발하신 소프트 로봇 촉수에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

현재까지는 소프트 로봇의 움직임을 정확하게 구현하기 위해서는 다양한 어려움이 존재하는 것이 사실입니다. 따라서 사용되는 소프트 재료의 유연한 특성이나 형태에 따라서 움직임을 제어하는 방법이 있습니다. 하지만 기존의 단일 소프트 엑추에이터를 사용하면 표현 가능한 변형의 수가 제한적이라는 단점을 가지고 있습니다.





따라서 저희 연구팀은 가변 강성 구조체 기반의 소프트 엑추에이터를 개발하여 다양한 형태 변형이 가능한 소프트 엑추에이터를 개발하였습니다. 이는 선행 연구에서 개발된 형상기억합금 기반의 소프트 엑추에이터에 가변 강성 구조를 적용하여 새로운 개념의 소프트 엑추에이터이며, 가변 강성 재료를 높은 강성 상태(glassy state)와 낮은 강성 상태(rubbery state)로 자유롭게 변경함으로써 단일 소프트 엑추에이터가 표현할 수 있는 변형 형태의 수를 늘릴 수 있었습니다.  

 

이러한 형태 변형이 가능한 가변 강성 재료 기반의 소프트 엑추에이터는 주어진 목적 대상의 형태나 크기에 맞춰 자유롭게 소프트 엑추에이터의 강성을 조절할 수 있어 더욱 안정적이고 효율적인 파지가 가능한 그리퍼로서 그 우수성을 입증하였습니다.

이 뿐만 아니라, 소프트 엑추에이터 표면에 다양한 형태의 구조체를 형성함으로써 굽힘, 비틀림 변형이 선택적 또는 동시에 가능한 다자유도를 가지는 프로그래머블 소프트 로봇 촉수도 개발하였습니다. 이러한 프로그래머블 소프트 로봇 촉수를 활용하면 신체 내부, 사고 현장 등 인간이 직접 접근하기 어려운 환경에서 사용가능한 검사 및 모니터링 장비, 의료 장비 등으로 응용될 수 있습니다.


3. Materials Horizons에 게시된 수중 로봇 깊이 제어 메커니즘을 설계하기 위한 원리에 대해 설명 부탁드립니다.

수중 환경에서 살아가는 수많은 해양 생명체는 바다와 같이 수심이 깊은 환경에서 자신의 깊이를 조절하기 위해 부력 조절 기능이 필요합니다. 이를 위해 해양 생물은 자신이 가진 부레 내부의 가스 양을 조절하여 다양한 부력 크기를 표현함으로써 수중에서의 자신의 깊이를 빠르고 쉽게 조절할 수 있습니다.





저희 연구팀은 기존의 수중 생물이 가지고 있는 부레를 모방하여 새로운 소프트 로봇 부레 시스템을 제안하였습니다. 이 소프트 로봇 부레는 얇은 플라스틱 필름, 유연한 특성을 가지는 저항 발열체, 탄성체 커버로 구성되어 있으며, 부레 파우치 내부의 유체가 상 변화할 때 발생하는 부피 변화 현상을 이용하는 부력 조절 메커니즘을 개발하였습니다. 또한 3개의 부력 주머니로 구성된 소프트 로봇 부레와 SMA 엑추에이터 기반의 수중 추진체 통합하여 로봇 물고기를 제작하였으며, 작동 패턴을 다르게하여 실제 물고기가 구사할 수 있는 총 10가지의 다양한 수중 움직임을 완벽하게 성취하였습니다.

기존에 많은 연구자들에 의해 개발된 부력 조절 장치는 피스톤, 모터, 밸브와 같은 복잡한 기계 요소들의 사용이 요구되어 부피와 무게를 증가시키며, 주변 생태계에 큰 피해를 초래하는 소음 및 진동의 문제를 함께 수반합니다. 저희 연구팀이 개발한 소프트 로봇 부레는 어떠한 기계 장치의 사용 없이도 전기적인 신호만으로 작동 가능하며, 이는 액체에서 기체로의 상 변화에 기인하기 때문에 소음, 진동 발생과 같은 문제없이 주변 환경에 순응하여 사용가능합니다.

이 소프트 로봇 부레 시스템에서 가장 주목할 점은 시스템 전체가 부드럽고 유연하기 때문에 다양한 소프트 로봇 및 부드러운 장치에 활용 가능하여 수중 조절 기능이 요구되는 폭넓은 응용 분야에 적용될 것으로 보여집니다.


4. 다양한 SMA 기반 소프트 그리퍼 연구를 진행하셨는데, International Journal of Mechanical Sciences에 게시된 형상 기억 합금(SMA) 기반 소프트 평면 그리퍼 연구에 대한 소개도 부탁드립니다.

본 연구는 부드럽고 강성이 낮은 물체를 파지하기 위한 그리퍼 및 제어에 관한 연구입니다. 연약한 물체는 작은 힘에도 변형 및 결함이 쉽게 발생하기 때문에 파지 시 파손될 위험이 있습니다. 그 해결책으로 기존에는 유연한 힘센서를 임베디드 시키거나 광학적 방법을 통해 그리퍼와 물체간의 상호작용을 향상시키려는 노력이 있어왔습니다. 하지만 센서를 임베디드 시킴으로써 그리퍼의 변형량이 제한되고 제작과정이 복잡해지는 문제와 신뢰도 및 견고함이 떨어지는 등의 문제가 있습니다.




이러한 문제를 해결하기 위해, 저희는 센서를 임베디드 하지 않고도 목표치만큼 정확하게 변형하는 그리퍼를 개발했습니다. 그리퍼의 중간부분에 유연한 재료를 사용하고 형상기억합금을 임베디드 하여 마치 경첩처럼 구부러지도록 설계했습니다 (Fig 3A). 그리고 그리퍼의 각 부분에 LED를 단 후 이를 카메라로 촬영 후 추적하여 변형각을 계산했습니다.

변형각을 계산하기 위해 그리퍼의 각 부분에 LED를 부착한 후 카메라로 촬영하여 실시간으로 데이터를 만들었습니다. 이 데이터는 실시간으로 PID컨트롤러에 입력되고 목표값과의 오차 계산을 통하여 피드백이 이루어지면 그리퍼는 정확하게 목표각에 도달하게 됩니다(Fig 3B).

PID시스템이 적용된 평면 그리퍼의 성능 검증을 위해 꽃이나 풀같이 연약한 물체의 파지를 시도했고 그리퍼는 정확히 파지에 성공했습니다 (Fig 3C). 이 방법은 재료의 물성치를 고려하지 않고도 효과적으로 작동되기 때문에 다른 방식으로 만들어진 그리퍼에도 적용이 가능하다는 장점이 있습니다.

5. 연구하신 소프트 로봇은 구동기 제어에 변수가 다양할 것 같습니다. 혹 보완해야할 점은 없는 건가요?

소프트 로봇은 재료의 특성에 굉장히 민감하여 현재 기술로는 강체 로봇처럼 제어할 수 있지는 않습니다. 현재 소프트 로봇에 주로 사용되는 구동 방법으로는 유압-공압 구동, 모터-와이어 구동, 열과 빛을 활용한 스마트 재료 구동의 방식이 있습니다.

유압-공압 구동의 경우 퍼포먼스가 좋다는 장점이 있습니다. 모터-와이어 구동의 경우 유압-공압 구동 방식보다 구조가 단순하고 가볍다는 장점이 있습니다. 스마트 재료 구동의 경우 재료의 특성을 이용하여 작은 크기에서 무게 대비 출력 성능이 매우 훌륭하다는 장점이 있습니다.


하지만 소프트 로봇에 주로 사용되는 구동기들은 대부분 에너지 효율이 낮다는 큰 단점이 있습니다. 이러한 이유로 소프트 로봇에 주로 사용되는 구동기들의 에너지 효율을 높이는 방향으로 개발하여 보완해야 합니다.


6. 로봇을 구현하기 위해 특정 범위 이상의 변형량과 힘 구현 등 연구 하시는 데 어떤 부분에 특히 중점을 두셨는지 궁금합니다.

다양한 소프트 엑추에이터 또는 소프트 로봇을 개발하면서 큰 힘을 내기보다는 더 큰 변형량 구현에 중점을 두고 연구하고 있습니다. 소프트 로봇은 주로 고무, 실리콘과 같은 고분자 재료를 사용함으로써 높은 유연성을 갖는데 기존의 강체 로봇이 극복하지 못했던 자유도의 한계를 극복한다는 의의가 있습니다. 다만, 소프트 로봇의 경우 표현할 수 있는 자유도가 매우 높아 강체 로봇에 비해 정확한 제어가 힘들다는 단점이 있습니다. 그래서 저희 연구실에서는 소프트 엑추에이터의 좀 더 정확한 제어가 가능하기 위해 연구하고 있습니다.





하지만 힘 또한 중요하기 때문에 액체 금속과 같은 가변 강성 재료를 활용하여 소프트 엑추에이터의 강성을 조절할 수 있는 연구도 계속해서 진행하고 있습니다. 이처럼 저희 연구실에서는 소프트 로봇이 큰 변형량과 큰 힘을 구현할 수 있도록 노력하고 있습니다.


7. 중국은 로봇 연구에 많은 투자를 하고 있는 것으로 알고 있는데요. 가정용 로봇 AI니모, 50억 달러 가치를 지닌 유비테크 로보틱스(UBTECH Robotics), 수중 로봇 설계에 집중하는 유캔 로보틱스(Youcan Robotics) 등 무섭게 성장하고 있습니다. 교수님께서 눈여겨보시는 중국 기업의 제품이 있으신지요?

위에서 언급하신 AI니모, 유비테크 로보틱스, 유캔 로보틱스 모두 중국의 로봇 관련 스타트업 회사로서 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 아쉽게도, 이 회사들 모두 소프트 로봇 분야가 아닌 강체 로봇을 개발하는 회사들이라는 특징이 있습니다.
하지만 현재 저희 연구실에서 연구하고 있는 분야인 소프트 로봇과 관련된 기술을 실제 산업에까지 상용화를 이룬 기업은 아직까지 찾기 어렵습니다.

현재 한국 기업을 포함하여 전 세계적으로 중국, 일본 등 다양한 기업들이 가볍고, 안전하며 또한 인간 상호작용에 있어 큰 강점을 가지는 소프트 로봇 개발에 뛰어들고 있는 추세입니다. 예로 들어, 중국의 SRT(Soft Robot Tech)라는 기업은 이미 pneumatic soft gripper를 개발하여 로봇 팔의 end-effector에 적용함으로써 작은 외력에도 부서지거나 상처받기 쉬운 부드럽고 약한 물건들을 안전하고 정확하게 파지할 수 있는 기술을 통한 상업화에 성공하였습니다. 아직까지도 소프트 로봇에 관련하여 개척되지 못한 부분이 많기 때문에 추후에 진보된 기술 개발을 통하여 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다고 생각합니다.


8. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

연구를 수행하면서 수많은 어려운 문제와 직면했지만 더 나은 해결책이 있는지 적극적으로 생각하는 자세를 통해 문제를 해결하였습니다.
이를 위해서는 능동적이고 열정적으로 배우며, 항상 이유를 질문하고 탐구하는 습관을 기르고, 솔루션을 최적화하기 위해 노력하는 자세가 중요합니다. 평소에 주변 사물 또는 현상들을 관찰하며 어떤 원리나 메커니즘이 사용되었는지 생각해보고 유용한 정보들은 메모를 해두는 습관이 도움이 많이 되었습니다. 또한 주변에서 접하기 힘든 새로운 것들을 관찰하기 위해 자연, 과학 다큐멘터리 등을 적극적으로 활용하여 시야를 넓히는 노력도 중요합니다.

연구자는 연구를 위해 끊임없이 자신의 에너지를 바쳐야 합니다. 하지만 연구자도 사람인지라 때로는 에너지가 고갈돼 지칠 때도 있습니다. 이럴 때 위기를 극복하는 능력도 매우 중요합니다. 자신의 생각보다 연구진행속도가 느리다거나 결과물이 마음에 들지않아 자신감이 떨어질때는 조급해하지말고 자기 자신을 믿어주는 자세가 필요합니다. 또한 스트레스 해소를 위해 평소에 하지 못했던 취미생활을 즐기거나 운동을 하는 것도 좋습니다. 연구도 중요하지만 꾸준히 연구활동을 하기위해서는 자기자신을 보살피는 능력도 중요하다는 것을 기억해야합니다.


9. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

COVID-19로 인해 우리 주변에 사람을 대신하여 일하는 로봇들이 주목받고 있습니다. 이러한 강체 로봇은 우리의 삶을 편리하게 만들고 삶의 질을 높이고 있습니다. 하지만 대부분의 강체 로봇은 복잡하고 변수가 다양하게 존재하는 일상 환경에 적용하기 어려운 문제점들을 갖고 있습니다. 따라서 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 소프트 로봇을 대중 시야에 들어오게 하고 일상생활에 자연스럽게 융화될 수 있으면서 다양한 분야에 응용 프로그램을 제공할 수 있도록 지속적으로 신기술 개발에 전념하는 것이 연구자로서의 꿈이자 목표입니다.

또한 일상생활뿐만 아니라 사람이 접근하기 힘든 재난현장 이나 험지에서의 운용을 위한 로봇 개발을 위한 연구도 시작했습니다. 형상변형 메커니즘을 이용해 좁은 틈 또는 높은 턱을 지나 정확하고 빠르게 목적지에 도달하여 임무를 수행하고 다시 귀환할 수 있는 로봇을 개발할 계획입니다.

궁극적으로 인간과 로봇이 상호작용하며 안전하고 편리하게 작업을 수행하고 인간의 생활을 풍요롭게 만드는 것이 목표입니다.


10. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

소프트 로보틱스 분야는 예전부터 있었지만 2010년을 전후로 전 세계적으로 주목받고 각광받는 분야가 되었습니다. 과거에는 소프트 로보틱스가 단순히 유연 재료를 사용한 새로운 메커니즘을 연구 개발하는 기초적인 단계였다면, 이제는 지금까지 연구 개발된 내용을 바탕으로 소프트 로보틱스 기술을 끌어올리는 연구가 진행되고 있습니다.

가까운 미래에는 이 소프트 로보틱스 기술이 휴면 케어, 서비스 로봇, 의료 기기 등 인간과 밀접한 다양한 분야에서 인간과 상호작용을 하고 일상에 도음을 주는 필수적인 기술로서 자리매김할 것이라고 생각합니다. 이를 위해서는 소프트 로봇 기술의 개발이 요구되며 이 분야를 연구하는 후학(대학원생들)이 자부심을 갖고 연구하셔도 된다고 생각합니다.




 

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