휴고로드리그 교수 연구팀, 필름 기반 팽창식 튜브의 좌굴 현상 실용 방안 개발

- 소프트 로보틱스의 비선형성 극복 및 상용화 기대

▲ 휴고로드리그 교수(왼쪽, 교신저자), 이한얼(오른쪽, 제1저자) 

기계공학부 휴고로드리그 교수 연구팀이 기하학적 모델링을 통해 필름 기반 팽창식 튜브의 좌굴* 현상을 분석, 소프트 로보틱스 분야의 실용방안을 개발했다고 밝혔다.

* 좌굴(buckling): 기둥 형태의 구조물이 축방향으로 압축력을 받을 때 한계점을 넘어 횡방향으로 변형하는 현상

고체 재질의 경우 탄성 영역을 넘어선 소성 좌굴이 발생하면 원래의 형태로 돌아올 수 없기 때문에 구조물의 파손을 방지하기 위해 좌굴을 피해야만 한다. 반면에, 공압 구동되는 팽창식 튜브는 좌굴이 발생해도 유연한 재료의 특징을 활용해 원형을 회복할 수 있다. 선행 연구들은 팽창식 튜브를 연질로 가정하여 부드러운 곡선을 형성하는 좌굴이 발생하는 것으로 해석했지만, 이는 튜브를 구성하는 재질과 가해지는 내부압력에 의해 달라질 수 있다.

유연하지만 신축성이 없는 재질로 제작된 튜브를 고압 구동한다면 순간적으로 형태변형이 일어나는 스냅-스루* 좌굴을 발생시킬 수 있다. 이때 압축으로부터 튜브가 좌굴되는 지점과 이완으로부터 좌굴이 회복되는 지점이 상이한데, 두 지점 사이에서 팽창식 튜브는 인위적으로 좌굴 혹은 비좌굴 상태의 전이가 가능한 이중안정영역을 가진다.

* 스냅-스루(snap-through): 하중으로 인해 순식간에 형태가 변하는 좌굴의 특수 경우

연구팀은 축 압축 시 팽창식 튜브의 형태 및 부피 변형에 대한 새로운 기하학적 모델링을 디자인함으로써 이러한 비선형적 특징이 발생하는 근거와 타당성을 제시하였고, 3D 프린팅된 외골격을 추가하여 좌굴을 활용해 자기강화 그리퍼, 단일 및 이중 안정성 전이 구조물, 고속 구동 구조물을 설계함으로써 팽창식 튜브의 비선형성*을 실용화할 방안을 제시했다.

* 비선형성(nonlinearity): 출력이 입력의 변화에 비례적이지 않은 성질

▲ 팽창식 튜브의 축 방향 압축 시 나타나는 고속 스냅스루 좌굴 및 이중안정영역

또한 제시된 시스템의 규모를 확장해, 단일 및 이중 안정성을 넘어 다중안정성 전이 구조물의 개발, 고속 및 고출력 구조물의 개발이 가능하다고 연구팀은 밝혔다. 공압 액추에이터*의 비선형성을 분석, 예측할 수 있도록 모델링하고 이에 적합한 추가 구조물을 적용한다면 시스템이 갖는 고유의 비선형적 특징들을 기피해야 할 현상이 아닌 ‘유니크한 동작’을 만들어내는 새로운 방안이 될 수 있다.

* 액추에이터(Actuator): 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계적 장치

휴고로드리그 교수는 “비선형성으로 인해 정밀제어에 제한이 있던 소프트 로보틱스 분야의 한계를 극복하여 강체 시스템과는 차별화된 장점을 극대화함으로써 실생활에 소프트 로봇이 적용될 가능성을 높여줄 것”이라고 밝혔다.

연구팀의 이번 연구결과는 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며 재료공학 분야 국제학술지 Materials Today에 2월 10일 게재되었다.

※ 저널: Materials Today

※ 논문명: Harnessing the Nonlinear Properties of Buckling Inflatable Tubes for Complex Robotic Behaviors

※ 저자명: Hugo Rodrigue(교신저자), Haneol Lee(제1저자)