거미의 먹이잡기 행동을 모사한 소프트 로봇 개발

전기장으로 물체 감지하고 자극해 자체 무게보다 60배 무거운 물체 포획

좌로부터 김호명 교수, 성장윤 교수, 송원준 박사과정, 이영훈 박사과정

부드러운 소재의 소프트 로봇은 높은 자유도와 적응성을 바탕으로 기존의 단단한 소재의 로봇을 이용하기 어려운 분야에서 활약할 수 있다. 때문에 최근 소프트 로봇의 구성요소들에 대한 개별적인 연구가 활발하지만, 각각의 구성요소들을 하나의 로봇 시스템으로 통합하기 위한 연구는 아직 미비하다. 소프트 로봇이 잠재력을 온전히 발휘하기 위해서는 다양한 구성요소들이 상호보완적으로 작용할 수 있는 로봇 시스템에 관한 연구가 필요하다. 이런 문제를 해결하기 위한 실마리는 자연을 통해 얻을 수 있다.

서울대학교 선정윤·김호영 교수 연구팀(제1저자 : 이영훈, 송원준 연구원)이 거미의 행동학적 특성에 착안해 전기적으로 주변의 물체를 감지하여 포획하고 불필요한 오염물을 스스로 털어내는 거미줄 로봇을 개발했다.

손바닥 크기의 방사형 거미줄을 닮은 이 로봇은 전극 역할을 하는 오가노젤(organogel)을 절연체 역할을 하는 실리콘 탄성체로 둘러싼 샤프심 두께의 신축성 있는 전도성 섬유 소재를 배열해 만들었다.

거미줄 로봇은 수 센티미터 거리 정도의 주위에 강력한 전기장을 만들어 주변에 있는 물체를 자극(전기적 분극을 유도)하여 강한 정전기적 인력으로 달라붙도록 함으로써 물체를 포획한다.

거미줄 로봇의 구조개발된 거미줄 로봇은 신축성 전극 역할을 하는 선형의 이온 전도성 오가노젤 코어와 이를 감싸고 있는 절연체 역할의 실리콘 탄성체로 구성되어 있다. 거미줄 로봇의 모든 구성요소는 신축성 소재로 구성되어 원래 길이의 3배까지 늘어날 수 있다. 또한 거미줄 로봇은 투명, 혹은 반투명한 소재로만 제작되었기 때문에 다양한 환경에서 위장할 수 있다.

물체 표면에서 나오는 전기장을 감지함으로써 물체와의 상대적 거리를 감지해, 실제 접촉하지 않고도 접근을 알아내는 것이다. 충분히 접근했을 때만 물체를 자극하여 끌어당기는 방식으로 의도하지 않은 물체에 의한 오염을 회피하는 것이다.

마치 정주성 거미가 최소한의 그물만 만들고 먹이가 거미줄에 걸리면 진동을 감지해, 추가적인 거미줄로 먹이의 탈출을 막는 것과 비슷하다. 접착력이 강한 거미줄의 오염을 최소화하려는 전략이다.

전기장 변화를 통해 물체의 접근을 감지한 뒤, 정전기적 인력을 이용해 물체를 끌어당기는 거미줄 로봇은 이러한 거미의 행동학적 특성에서 영감을 받은 것이다.

모든 구성요소가 젤이나 탄성체 등 신축성 소재로 되어 원래 길이의 3배까지 늘어날 수 있다. 이러한 신축성을 기반으로 거미줄 로봇 자체 무게 0.2g 보다 68배나 무거운 물체를 포획해 냈다.

또한 투명, 혹은 반투명한 소재로 만들어 다양한 환경에서 위장 하는데도 유리하다는 설명이다.

거미의 행동학적 특성을 전기적으로 모사하여 다양한 크기와 형태의 비정형화된 물체 잡기 등에 응용할 수 있는 거미줄 로봇은 소프트 로봇을 구성하는 다양한 요소를 상호보완적으로 통합하는 차원에서 의미있는 성과이다.

향후 차세대 인공 근육 및 전자 피부, 그리고 로봇 팔 등에 주요한 설계 변경 없이도 추가적인 기능성을 부여해 활용범위를 더욱 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다.

거미줄 로봇의 물체 포획 및 탈착 성능 거미줄 로봇은 진동을 이용해 표면의 오염물을 제거하고, 전기장 변화를 통해 물체의 접근을 감지한 뒤, 포획 기능을 작동시켜 전기적으로 물체를 포획한다. 이후에는 진동을 통해 포획한 물체를 탈착시킨 뒤 대기상태로 전환된다.제공 : 서울대학교 선정윤 교수

거미줄 로봇의 물체 포획 및 탈착 성능 거미줄 로봇은 진동을 이용해 표면의 오염물을 제거하고, 전기장 변화를 통해 물체의 접근을 감지한 뒤, 포획 기능을 작동시켜 전기적으로 물체를 포획한다. 이후에는 진동을 통해 포획한 물체를 탈착시킨 뒤 대기상태로 전환된다.제공 : 서울대학교 선정윤 교수

과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업, 리더연구지원사업, 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 로봇공학 분야 세계적 학술지‘사이언스 로보틱스 (Science Robotics)’저널(2019년 JCR Robotics 분야 1위)의 표지논문으로 7월 16일 게재되었다.

논문명은 Ionic spiderwebs이며 저자는 선정윤 교수(교신저자/서울대학교),김호영 교수(교신저자/서울대학교), 이영훈 박사과정(공동 제1저자/서울대학교),송원준 박사과정(공동 제1저자/서울대학교),정연수 박사(공저자/서울대학교),유현재 박사과정(공저자/서울대학교),김만용 교사(공저자/음암중학교) 등이다.