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정화영 박사 (KAIST 기계공학과 생체기계연구실)
2023-08-22
 소프트 로봇은 유연한 소재나 구조를 사용하여 만들어져 기존의 단단한 소재를 사용한 로봇들이 고도의 제어 전략을 통해 이뤄냈던 복잡한 주변 환경과의 안전한 상호작용을 소재, 구조적 특성만으로 쉽게 이뤄낸다. 유연한 소재와 구조에서 오는 장점 덕분에 불규칙한 형태의 다양한 소재로 된 표면에도 잘 적응할 수 있을 뿐 아니라 외부 충격에도 강인한 특성을 가지고 있으며 동시에 상호작용하는 대상에 손상을 입힐 가능성이 현저히 낮다. 이러한 장점을 가진 소프트 로봇이 현실적이고 실용적인 분야에 적용될 수 있도록 하기 위해 기존의 단점을 극복하면서 다기능성을 부여하기 위한 연구들이 계속해서 진행중이며 이에 따라 소프트 로봇이 적용되는 분야의 범위또한 점차 넓어지고 있다 (Fig 1).  그 중에서도 안전한 상호작용이 가능하다는 특성 덕분에 사람과 밀착한 상황에서의 상호작용을 요하는 웨어러블 분야에서 소프트 로봇은 그 장점을 충분히 발휘할 수 있었다. 소재나 구조의 내재적 특성 덕분에 착용자에게 가해지는 변화를 최소화 하면서도 인체 공학적 디자인을 적용하여 충분한 때론 기존의 단단한 소재의 로봇들보다 나은 성능을 낼 수 있다는 것을 보여왔다. 소프트 웨어러블 로봇은 사람의 움직임을 보조하는 액추에이션 기반의 로봇과 사람의 움직임을 측정하는 소프트 센싱 로봇으로 나뉠 수 있다.  로봇하면 가장 떠오르는 이미지가 주로 단단한 소재로 만들어진 로봇이 듯 사람을 보조하기위한 외골격 로봇들도 주로 단단한 소재로 많이 만들어져 왔었다. 이러한 단단한 소재 기반의 외골격 로봇의 경우 사람의 골격과 나란하게 외골격 장치들을 위치시켜 동력을 전달하고 관절 움직임 보조한다. 단단한 소재 덕분에 관절 움직임과 위치 정렬만 잘 된다면 동력 전달에 유리함을 가지지만 실제 관절은 회전 중심이 계속해서 변하기 때문에 사람의 골격과 지속적으로 정렬을 유지하기 힘들어 설계에서 의도한 만큼의 힘 전달 효율을 얻기 어럽다. 또한 소재나 구조물의 부피가 크고 무거워 착용자에게도 불편함을 주게 될 뿐 아니라 오히려 자연스러운 움직임을 방해하고 움직임 패턴에 변화를 주게 된다.  이러한 단점을 극복하고자 제안된 개념이 소프트 구조 기반의 보조 로봇 즉, 소프트 슈트이다. 소프트 슈트를 구성하는 천, 케이블, 실리콘 등 대부분의 소재가 기존의 로봇을 구성하는 구조물들보다 훨씬 가볍고 착용자의 움직임에 따라 쉽게 변형이 일어날 수 있기 때문에 착용자에게 가해지는 부담도 덜할 뿐 아니라 액추에이터가 근 골격과 정렬되지 못하여 발생하는 힘 전달 효율 저하 문제도 쉽게 해결할 수 있다. 기존의 엑소스켈레톤이 관절의 회전운동을 보조하기 위해 이와 나란히 회전운동을 만들어내는 모터를 주로 사용해왔다면 소프트 액추에이터 기반의 소프트 슈트들은 근육의 길이가 늘어나고 줄어드는 움직임과 유사하게 구동기의 길이가 변하는 방식을 많이 활용한다. 가장 많이 활용되는 구동 방식은 압축 공기를 활용한 공압과, 케이블과 이에 연결된 모터를 활용한 케이블 구동 방식이 있다. 두 방식 모두 대게 큰 힘을 요구하는 하지부터 좀더 섬세한 움직임을 요구하는 상지까지 다양한 신체 부위 보조를 위해 사용되어 왔다. Fig 3에 보이는 로봇은 Harvard의 Conor J. Walsh 연구팀에서 개발한 하지용 케이블 구동 소프트 슈트로 걷는 동작에서 발목과 고관절에 토크 보조를 제공한다 [4]. Fig 3에서 볼 수 있듯이 케이블과 착용 및 힘 전달을 도와주는 천 구조물로 구성되어 있기 때문에 사람의 몸에 밀착되어 있을 수 있으며 구조 전체가 가볍기 때문에 기존의 엑소스켈레톤 로봇보다 착용자에게 가는 부담을 덜 수 있다. 연구 결과에서 밝혔 듯 해당 슈트 착용을 통해 착용자의 원래 걷기 동작 패턴에 변형을 최소화 하면서도 걸을 때 소모되는 대사량을 줄일 수 있다.  앞서 소개한 연구처럼 사람이 본래 가지고 있는 신체 부위를 보조하는 것이 아니라 추가적인 로봇 팔을 제공하여 작업 수행 능력을 올리는 ‘세번째 팔 (third arm)’ 또한 웨어러블 로봇의 일종으로 소프트 구조를 활용하여 제작될 수 있다 [5]. ‘세번째 팔’의 경우 추가적인 신체부위를 제공하는 것이기 때문에 사람 몸에 밀착하여 착용 되는 소프트 슈트들 보다 모멘트 암이 커질 수 밖에 없으며 이로 인해 로봇의 무게가 무거워 질수록 착용자에게 가해지는 부담이 클 수 밖에 없다. 이때, 공압 또는 케이블 구동 방식의 소프트 액추에이터를 활용하여 세번째 팔을 제작된다면 구조의 무게를 크게 줄여 입는 사람이나 외부 환경과 안전한 상호작용을 가능하게 해 준다.  Fig 4에 소개 된 연구의 경우 Arizona state university의 연구팀이 개발한 ‘세번째 팔’으로 공압 기반의 액추에이터를 여러 개 결합하여 다자유도를 가지는 가벼운 팔을 구현해내었다. 소프트 액추에이터는 유연하다는 것이 장점이지만 이로 인해 큰 힘을 내지 못한다는 단점도 존재한다. 따라서 상황에 따라 외력에 대한 저항성을 변화시켜 큰 힘을 낼 수 있도록 하는 가변 강성 소프트 액추에이터도 웨어러블 로봇에 많이 적용되고 있다. 가변 강성 소프트 로봇 중에서 웨어러블 로봇에 많이 적용되는 방식 중 하나는 바로 진공으로 내부 공기를 빼내어 구조물 간의 상호작용 힘을 증가시켜 외력에 대한 저항성을 증가시키는 재밍 (jamming) 방식이다.  Fig 5는 레이어 구조를 활용한 가변 강성 로봇을 팔꿈치에 적용하여 팔꿈치의 굽힘 각을 사용자가 힘을 들이지 않고 유지해줄 수 있도록 하는 소프트 로봇이며 이렇게 레이어의 적층 구조를 활용한 방식 이외에도 입자상 물질을 활용한 방식 그리고 실 형태의 구조를 활용한 방식 등 다양한 방법이 존재한다 (Fig 6) [7]. 각각의 방식에는 장단점이 존재하는데 모래와 같은 입자상 구조를 활용한 경우 높은 변형 가능성 및 형상 적응력을 제공하지만 유체적 특성을 가지기 때문에 하나의 고정적인 형상을 가지기 어렵고 이에 따라 반복성이 떨어진다. 반면 레이어의 적층 구조나 실 다발 형태의 구조를 활용한 경우 입자상 구조보다는 구조적 안정성을 가지며 더 높은 가변 강성 능력을 보여주지만 구조의 정렬이 어긋나거나 구조 자체가 파괴될 가능성이 훨씬 높아지기 때문에 과도한 변형이나 외력에 노출 될 경우 심각한 성능 저하를 초래할 수 있고 때로는 원래 성능으로 복구가 불가능 할 수 있다. 이러한 점은 외력에 강건한 성능을 보인다는 소프트 로봇의 장점과 상충하기 때문에 적용될 수 있는 어플리케이션의 범위를 좁게 한다. 특히 사람과의 지속적인 상호작용을 하면서 넓은 운동 범위를 가지는 관절에 적용되어 반복적인 성능을 보여야하는 웨어러블 로봇에 적용되기 어려울 수 있다.  이러한 단점을 극복하고자 강한 가변 강성 성능을 보여주는 단단한 구조체는 유지하면서 구조적, 성능적 반복성과 외력으로부터 인한 손상에 강건하게 만들어주고자 탄성체를 추가한 가변 강성 소프트 로봇이 제안되었다 [8]. 해당 구조는 불가사리와 같은 극피동물의 표피가 작은 분산된 골편과 이를 감싸는 그물 구조의 조직을 가지고 있으며 해당 구조들의 상호작용을 통해 가변 강성을 구현한다는 데서 착안한 디자인이다. 단단한 분산된 구조체와 이를 감싸는 탄성 폼 구조에 진공을 통한 재밍 구동 방식을 적용하여 가변 강성을 구현해내었다 (Fig 7).  구조에 진공이 가해질 경우 폼 구조 내부의 기공들이 무너지며 내부의 단단한 구조체 간의 거리가 가까워 짐은 물론 탄성체의 유효 강성이 증가하고 단단한 구조체로 인한 제한된 변형으로 전체적인 강성도 함께 증가하게 된다. 해당 방식은 구조체를 감싸는 부드러운 폼이 존재하기 때문에 외력에 의해 구조체가 파괴되는 것을 막을 수 있으면서도 구조체가 대변형에 노출되더라도 초기의 배열로 반복적으로 돌아올 수 있도록 하기 때문에 기존의 입자상 재밍이 가졌던 낮은 반복성이나 레이어 적층 구조가 가진 과도한 변형이나 외력에 대한 낮은 강건성을 극복할 수 있다. 물론 반대로 생각한다면 입자상 재밍 같은 낮은 강성 즉 유체적 특성이나 레이어 적층 구조만큼 넓은 강성 변화를 제공할 수 없다는 것을 의미하기도 한다. 따라서 적용하고자 하는 웨어러블 로봇이 목표로 하는 성능에 맞는 방식을 선택하고 디자인 하는 과정이 필요하다.  앞서 소개한 소프트 슈트를 컨트롤 하기 위해서 또는 사람 몸의 움직임이나 그 의도를 알기위해서 등 많은 이유로 웨어러블 센서가 필요하다. 소프트 구조물로 웨어러블 센서를 제작할 경우 액추에이터와 마찬가지로 착용자의 입장에서 불편감이 훨씬 덜하며 원래의 움직임 패턴에서 센서를 착용함으로써 발생하는 변화를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 사람 몸의 굴곡에 맞춰 밀착될 수 있기 때문에 센서 신호 수집 면에서도 유리하다. 센서가 사람의 동작을 더 잘 따라갈 수 있으며 특히 생체신호 수집에서는 피부와 연속적으로 밀착해 있는 것이 중요한데 센서 구조 자체가 유연하면 피부의 다양한 변형에도 쉽게 적응할 수 있기 때문에 접촉 상태를 유지하는데 유리하다. 웨어러블 센서는 크게 물리적인 변화를 측정하는 센서와 생체적 변화를 측정하는 센서로 나뉠 수 있다. 물리 센서의 경우 움직임으로 나타나는 변화를 측정하는 센서로 관절의 각도나 웨어러블 보조 로봇 또는 그 외 다른 주변 물체와 상호작용하는 힘을 측정하는 센서 등을 포함한다. 이에 반해 생체 신호센서에는 근육 또는 신경에서 나오는 전기적 신호를 측정하는 EXG (EMG; electromyography, ECG; electrocardiography, EEG; Electroencephalography), 신체의 저항 변화를 측정하는 EIT 등이 있다. 물리 센서에 비해 생체 신호 센서는 사람의 움직임을 만들어내는 더욱 근본적인 신호를 측정해낸다는 점에서 더욱 빠른 동작 의도 파악에 도움이 된다고 알려져 있다. 이전에는 이러한 센서들이 연구나 치료를 목적으로 한 분석 등 제한적인 환경에서 사용되어왔지만 기술이 발전하면서 건강 모니터링이나, 재활 로봇 또는 의수를 컨트롤 하기 위한 의도 파악 목적 등 조금 더 일상적이고 장기간 착용을 요구하는 상황에서 많이 사용되기 시작했다. 하지만 기존의 단단한 소재의 센서들은 이런 장기간 착용을 위한 목적으로 사용하기에는 어려움이 존재한다. 착용했을 때 사용자가 느끼는 불편함에 더불어 몸의 구조나 환경적 변화 노출되었을 때 센서가 항상 일정한 성능을 내기에 어려운 상황에 많을 마주하게 된다. 그 중에서도 특히 생체신호 센서의 경우 몸 내부에서 발생하는 신호의 변화를 비침습의 방식으로 외부에서 측정할 수 있어야 일상에서의 사용이 가능한데 이러한 조건은 신호의 측정을 더욱 까다롭게 만든다. 근육과 전극 사이의 지방, 피부, 각질, 땀 등 다양한 요소가 센서의 접촉의 불안정성이나 전극간의 단선을 만들어내기 때문에 장기간 동안 동일한 신호 수집 성능을 내도록 하는 것이 어렵다. 또한 생체신호 센서는 개별적인 근육이 각각 어디에 위치하며 해당 근육이 어떤 움직임에 관련이 있는지 알고 있어야 정확한 위치를 찾을 수 있기 때문에 물리센서에 비해 정확한 위치에 센서를 부착하는데 어려움이 있다.  이러한 문제를 극복하기 위해 제안된 센서가 바로 Fig 8에 소개되어있는 천 기반의 입는 형태의 센서이다 [9]. 천은 사람이 입는 의류의 기반이 되는 소재이기 때문에 사람의 움직임에 큰 방해를 주지 않을 수 있는 좋은 소재 중 하나이다. 또한 오랜시간동안 개발된 다양한 직조 방식이 존재하기 때문에 원하는 통기성, 신축성 등을 조절하여 얻을 수 있다. 양말, 바지 등 입을 수 있는 형태의 의류에 전극을 미리 위치시켜 둠으로써 입는 행동만으로 다수의 전극을 한꺼번에 원하는 위치에 배치할 수 있다는 장점도 존재한다. 이러한 센서를 구현하는 과정에서 최대 관건은 원하는 신호를 수집할 수 있도록 전극을 배치시킨 의류 패턴을 어떻게 제작해내느냐 이다. 사람의 몸은 다 다르게 생겼고 신체 부위마다도 다른 형태의 센서 제작이 필요하다. 하지만 천을 이용하여 센서를 제작하는 것은 기존의 단단한 센서를 제작할 때 사용하던 기술의 대다수의 적용을 어렵게 할 뿐 아니라 기존의 옷을 만드는 방법을 활용한다면 반복적으로 정해진 위치에 전극을 배치해내는 것이 어렵다. 때문에 맞춤형 센서를 제작하기 위해서는 쉽게 디자인을 변형할 수 있으면서도 원하는 패턴을 구현해 낼 수 있는 새로운 천 기반 웨어러블 센서의 제작 방식이 필요하다. 이런 문제를 해결하기 위해 다양한 제작 방식이 제안되고 있는데 그 중 하나가 레이저 커팅을 활용하는 방식이다. 레이저 커팅은 본래 소재를 완전히 자르기 위해 많이 사용되지만 레이저의 세기를 조절해서 소재에 각인하는 등 잘라내는 깊이를 조절할 수도 있으며 이를 여러 겹 쌓인 구조에 적용한다면 잘라내는 층의 수를 조절할 수도 있다.  Fig 9의 연구에서는 이러한 특징을 활용하여 의류 패턴 상의 원하는 위치에 전극의 역할을 하는 전도성 천을 배치할 수 있도록 하였다 [10]. 의류가 될 소재 위에 열 접착성 물질이 코팅된 전도성 천을 겹친 뒤 전도성 천은 해당 층 만을 잘라낼 수 있는 조절된 레이저 세기를 활용하여 원하는 전극 패턴으로 잘라내고 나머지 전체적인 의류 패턴 형상을 강한 세기로 잘라내 준다면 어떤 복잡한 형상이라도 한번에 빠르고 정밀하게 제작해낼 수 있다.  해당 방식을 활용한다면 Fig 10와 같이 사람 신체에서 가장 높은 자유도를 가진 손에서 생기는 생체 신호 변화를 측정할 수 있는 센서 글러브도 쉽게 제작할 수 있다. 또한 천 소재만을 사용하였기 때문에 땀을 흡수할 수 있어 전극간의 단선이나 전극의 접촉 상태가 변하는 일을 최소화 할 수 있다. 제안된 제작 방식은 전극의 크기를 형성하고 배치시키는 것이 컴퓨터 지원 설계 프로그램과 레이저를 통해 이루어지기 때문에 아주 작은 전극을 고밀도로 배치시키는 등 디자인에 다양한 변화를 가져올 수 있다. 소프트 로봇은 지난 15년 동안 많은 성장을 거두며 다양한 분야에서의 적용 가능성을 확장해 왔다. 그 중에서도 소프트 웨어러블 로봇은 유연성, 가벼움, 착용 편의성 등의 장점을 통해 로봇이 조금 더 일반적인 환경에서 사용될 수 있는 가능성을 높여주었다. 이러한 소프트 웨어러블 로봇의 등장으로 재활, 군용, 스포츠뿐만 아니라 일상 생활에서의 보조 기능 및 운동 의도 파악 등 다양한 분야에서의 웨어러블 로봇의 적용 가능성이 보여졌다. 소프트 로봇의 짧은 기간 동안 괄목할만한 성장을 보여주었지만, 여전히 극복해야 할 과제들이 존재한다. 보조 로봇의 핵심이 되는 구동기 부분은 소프트한 소재나 구조를 활용하여 제작되고 있지만, 이를 컨트롤하기 위한 장치는 기존의 크고 무거운 시스템을 그대로 사용하는 경우가 많아 해당 부분에서 오는 문제는 여전히 존재한다. 소프트 슈트를 통해 구동기의 무게는 줄였지만 제어기나 동력원은 무겁고 시끄러운 경우도 있고 제어기와 소프트 슈트 또는 웨어러블 센서를 잇는 다수의 튜브나 전선 등이 결국은 사용자의 움직임을 제한하기도 한다. 또한, 소프트한 소재의 사용으로 인해 발생할 수 있는 내구성 문제 대한 고려가 필요하며, 유연 소재가 사람의 몸에 적절하게 고정될 수 있도록 하는 구조와 유연 소재를 원하는 형상으로 제작하는 방법 등에 대한 연구도 필요하다. 따라서 앞으로는 소프트 구동기술에 대한 연구뿐만 아니라 그와 관련된 제어 기술, 동력 근원, 그리고 이와 연관된 현실적인 문제들에 대한 연구가 더욱 진행되어야 한다고 생각한다. 이를 통해 소프트 웨어러블 로봇이 더욱 실용적이고 유용한 도구로 발전할 수 있을 것이다. 
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