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5차 산업혁명 시대에는 작업을 수행하는 로봇과 인간이 같은 공간에서 일하게 됩니다!

산업 혁명에서 말하는 로봇은 인간이 가지지 못한 성질을 보완하기 위해 설계된 것들입니다. 하지만 기존 로보틱스와는 다르게 인간이나 자연계의 영감을 받아 설계된 소프트 로봇의 종류도 있습니다. 오늘은 이 소프트 로보틱스에 대해 설명합니다. 

 

 

'소프트 로봇 공학'은 기존 로봇 공학과 어떻게 다른가요?

 

일반적으로 로봇이라고 하면 대표적인 산업용 로봇처럼 경질되고 견고하며 힘차고 정확하고 빠르게 동작하는 것이 연상됩니다.

예를 들어 차체 및 건축 자재에 대한 가혹한 용접 작업을 지속적으로 수행하는 로봇, 금속과 같은 단단한 재료를 고출력으로 절단하거나 무거운 재료 및 부품을 정밀하게 선별하여 운반하는 로봇 등을 들 수 있습니다.

최근 제조 공장에서 널리 사용되는 협동 로봇도 있습니다. 그들은 사람의 접촉을 조금이라도 감지하면 자동으로 작동을 중지함으로써 안전을 보장하기 위해 사람 작업자와 함께 일합니다. 협동로봇은 기존 산업용 로봇이 인간의 작업자를 대신할 수 있는 능력의 연장선상에 있는 것으로서, 교육이나 감지에 의해 정확하게 규정된 강력한 토크 또는 극단적인 정밀도를 요구하는 작업을 수행함으로써 인간의 작업자를 대신할 수 있는 능력을 갖추고, 더불어 인간의 특징적인 모호성을 극복할 수 있는 능력을 갖추고 있어 인간의  힘과 능력을 훨씬 뛰어넘습니다.

견고하고 강력하면서도 정확하게 작업을 수행할 수 있는 산업용 로봇

 

반대로 소프트 로보틱스는 부드러운 재료를 사용하고 유연하게 움직이는 소프트 로봇 뒤에 있는 기술입니다.

이는 인간이 가지지 못한 성질의 보완을 주로 추구해 온 기존 로보틱스와는 다른 디자인 개념을 반영합니다. 예를 들어, 많은 소프트 로봇들은 자연계나 인간에 있는 생물들의 구조적 특성에 영감을 받아 그들의 움직임을 모방하도록 설계되었습니다.

 

다양한 종류의 소프트 로봇이 있지만, 그들은 모두 부드러움과 유연한 움직임을 위한 능력을 결합하는 동시에 특징적인 '모호함(ambiguity)'을 강점으로 하는 로봇이라고도 알려져 있습니다. 이 모호함이야말로 소프트 로보틱스를 기존의 로보틱스와 차별화하는 주요 요소가 됩니다. 형태가 불분명한 작업물을 집을 수 있는 기능, 환경 조건에 맞게 작업을 조정할 수 있는 기능, 고정되지 않은 레이아웃으로 좁고 복잡한 공간에서의 작업 등을 가능하게 합니다. 또한 소프트 로봇은 또한 인체 자체를 보조하는 용도로도 응용할 수 있습니다. 이러한 이유로 소프트 로봇은 제조 현장 뿐만 아니라 폭넓은 환경에서의 효율화가 기대되고 있습니다.

형태가 불확실한 물체나 깨지기 쉬운 물체를 유연하게 다룰 수 있는 소프트 로봇

 

소프트 로보틱스의 방법, 기술 및 응용 프로그램

 

소프트로봇 분야에서 로봇은 다양한 목적과 문제를 처리하기 위해 다양한 접근 방식으로 연구개발이 진행되고 있습니다. 그것들은 모두 소프트 로봇 특유의 부드러움과 유연함, 그리고 구조와 구성 재료에 솔루션으로 통합된 모호함의 요소가 특징입니다.

소프트 로봇의 방법론과 기술, 그리고 몇 가지 적용 사례가 아래에 제시되어 있습니다.

부드러운 소재로 만든 부드러운 손
과거에는 로봇 손이 힘에 맞는 견고함과 공작물 치수에 맞는 높은 수준의 정밀도를 제공하기 위해 금속과 같은 단단한 재료로 만들어지는 경향이 있었습니다. 반면 유연성이 뛰어난 수지로 만든 부드러운 손을 공기압으로 제어하면 부드러운 용기, 얇은 유리잔, 종이 용기, 음식물과 같은 깨지기 쉬운 물건을 적당한 힘으로 잡고 운반할 수 있습니다. 또한 크기와 모양이 다른 물체를 잡는 데 한 가지 유형의 손을 사용할 수 있습니다. 

개발된 또 다른 방법은 깨지기 쉬운 가공식품과 같은 물체를 부드러운 철사로 둘러싸 범위를 능숙하게 조절해 그대로 집는 것입니다. 

다양한 경도와 모양의 그립퍼
부드러울 뿐만 아니라 필요에 따라 개별 그립퍼의 경도와 모양을 바꿀 수 있는 소프트 로봇도 있습니다. 예를 들어, 파우더로 채워진 주머니로 구성된 그리퍼의 종류가 있습니다. 이러한 그리퍼는 공기가 어느 정도 채워지면 부드럽지만, 공기를 펌핑하여 제거되면 분말 입자 사이의 틈이 없어져 단단해집니다. 이러한 유형의 메커니즘을 '재밍(Jamming)'이라고 하며, 로봇 그립퍼로 채택함으로써  다른 형태의 복잡한 물체를 잡고 물체 또는 버튼을 누를 수 있으며, 하나의 로봇으로 다양한 작업을 수용하는 데 필요한 경도와 유연성을 얻을 수 있습니다. 이러한 재밍 메커니즘을 갖춘 그리퍼를 장착한 로봇은 재난 현장의 구조 작업과 같이 유연성이 요구되는 작업에 사용될 것으로 기대하고 있습니다. 

 

자연계의 생물을 모방한 소프트 로봇
소프트 로봇은 검사 대상의 특성에 적응할 수 있기 때문에 좁은 튜브 내부를 검사하는 등 사람의 손이 닿지 않는 곳에서 작업 효율을 높이는 데 효과적일 수 있습니다. 예를 들어 지렁이나 뱀의 특성을 모방한 소프트 로봇은 복잡한 구성으로 좁은 파이프 내부에 자유롭게 들어가 파이프 내부에 손상을 주지 않고 상세한 검사나 점검을 수행할 수 있을 것입니다.

또한 코끼리의 코와 문어의 발을 본뜬 소프트 로봇도 개발되고 있어 지금까지의 다축 로봇에서는 불가능했던 복잡하고 유연한 동작을 가능하게 하고 있습니다. 물고기의 특성을 모방한 카메라가 장착된 소프트 로봇도 있어 다이버가 진입할 수 없는 해저 위치로 유연하게 수영할 수 있고 사진도 찍을 수 있습니다. 또한 우주 탐사 분야에서는  목성과 같은 거대 가스 행성의 위성 탐색에 기존의 지상용 탐사기를 사용할 수 없기 때문에 오징어의 특성을 모방한 소프트 로봇으로 연구가 진행되고 있습니다.

 

근육을 모방 한 구조를 가진 소프트 로봇
인간의 몸에는 다리 하나에 세 개의 관절이 있지만, 6개의 축을 가진 로봇은 우리의 다리가 할 수 있는 유연하고 미묘한 움직임을 따라잡을 수 없습니다. 이것은 우리 다리의 세 관절을 움직이기 위해 50개 이상의 근육이 사용되기 때문입니다. 그런 해부학적 관점에서 개발된 인공 근육도 존재합니다. 특별하고, 매우 탄력적인 재료로 만들어지고 공기압에 의해 제어되는 얇은 와이어 다발로 구성되며 사람의 근육과 같은 움직임을 할 수 있습니다. 

이러한 인공 근육 분야의 응용은 독립 소프트 로봇에 국한되지 않습니다. 사람의 움직임이나 자세를 보조하고  지원하기 위해 고안된 건강 관리 제품 뿐만 아니라 얇은 인공 근육을 그들이 만든 직물에 통합하는 착용 가능한 지지복을 포함합니다. 다양한 형식의 다양한 실용적 응용을 달성하기 위한 실험 연구가 현재 진행 중입니다.

 

전자 공학에 요구하는 유연성과 소프트 로봇 공학과의 친화성
로봇 공학 분야뿐만 아니라 전자 공학 분야에서도 부드러운 소재를 사용하여 유연성을 얻거나, 접거나, 비틀 수 있는 전자 디바이스인 '플렉시블 일렉트로닉스(플렉스 회로)' 수요가 증가하고 있습니다. 

그 이유는 IoT 기기나 웨어러블 기기 등이 점점 얇아지는 동시에 고기능화되며 그에 따른 탑재 부품의 소형화·고밀도 부품의 필요성이 있기 때문입니다. 동시에 하우징의 형상이나 사이즈, 가동 부분의 설계의 자유도와 그에 따른 유저빌리티의 향상이 요구되게 되었기 때문입니다.

 

플렉시블 전자 제품의 가장 잘 알려진 예는 절연 특성을 가진 연질 수지의 얇은 층으로 만들어진 베이스 필름으로 구성된 FPC(Flexible Printed Circuit)이며, 그 위에 구리 호일과 같은 전도성 금속으로 만들어진 전기 회로가 형성됩니다. 

다른 예로는 소형 하우징의 좁은 내부에 접어서 삽입할 수 있는 소형 전자 회로 기판과 구부릴 수 있는 LCD 디스플레이, OLED 디스플레이 및 박막 배터리(박막 태양전지 또는 곡면 배터리)가 있습니다. 또한 필름 등에 미세한 패턴을 인쇄하여 구부릴 수 있는 소재 상에 회로를 형성하는 인쇄 전자 기술을 채용한 센서 제품도 등장하고 있습니다.

플렉서블 전자기기의 가장 대표적인 애플리케이션은 폴더블 스마트폰 등 전자기기이지만 소프트 로봇의 유연한 움직임을 방해하지 않는 핵심 기기로 활용되는 사례도 늘고 있습니다.

 

이와 관련하여, 무라타는 유연한 리드선이 있는 열 반응성이 높은 NTC 서미스터와 환경 친화적인 부드러운 재료로 만든 압전 필름 센서와 같은 제품을 개발하고 제조합니다.
최근에는 그 동안 트레이드 오프의 관계였던 높은 투명성과 도전성을 부드럽게 굽힘 내성이 높은 재료로 양립한 '투명하고 구부릴 수 있는 전도성 필름(가칭)'을 개발을 가능하게 하고 있습니다. 높은 작업성과 최소한의 피부 민감성 및 우수한 안전성을 결합하여 광범위한 분야에서 사용하기에 적합합니다. 

 

무라타가 개발한 '투명하고 구부릴 수 있는 전도성 필름 (가칭)'과 그 특성

 

'투명하고 구부릴 수 있는 전도성 필름(가칭)'에 대해 자세히 알아보려면 다음 문서를 참조하십시오.

무라타는 IoT 시대를 열기 위한 새로운 아이디어의 적용과 함께 새로운 투명하고 구부릴 수 있는 전도성 필름에 대한 논의를 시작할 파트너를 찾고 있습니다(기술 설명)
무라타는 IoT 시대를 열기 위한 새로운 아이디어의 적용과 함께 새로운 투명하고 구부릴 수 있는 전도성 필름에 대한 논의를 시작할 파트너를 찾고 있습니다(애플리케이션 이미지)

위에서 설명한 것과 같은 유연한 전자 기술은 우리와 사회를 위해 더 친숙한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그들은 부드러움, 다용성, 적응성 측면에서 소프트 로봇 공학과 높은 수준의 친화력을 가지고 있다고 말할 수 있습니다.

사실 소프트 로봇에서 플렉시블 센서와 같은 소프트 전자 장치를 사용하는 사례가 이미 있습니다. 이런 식으로 더 정교한 신기술을 만들기 위해 부드러움과 유연성이 뛰어난 로봇과 전자 분야의 기술과 아이디어를 결합함으로써 소프트 로봇이 훨씬 더 광범위한 응용 분야를 찾는 미래를 상상하는 것은 어렵지 않습니다.

* 출처  

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com

      

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