거미줄 로봇 개발-거미의 먹이잡기 행동을 모사한 소프트 로봇 개발

거미줄 로봇 개발-거미의 먹이잡기 행동을 모사한 소프트 로봇 개발

 

등록일 2020.10.19.

 

 

거미줄 로봇 개발
거미의 먹이잡기 행동을 모사한 소프트 로봇 개발
전기장으로 물체 감지하고 자극해 자체 무게보다 60배 무거운 물체 포획

□ 거미의 먹이잡기를 모사, 금속이나 세라믹 등 다양한 크기와 소재의 주변 물체를 감지하여 붙잡는 거미줄 로봇이 소개됐다.
○ 금속이나 세라믹 등 단단한 소재의 로봇을 활용할 수 없는 영역에 적용할 수 있는 소프트 로봇의 잠재력을 끌어올릴 실마리가 될 것으로 기대된다.

□ 선정윤·김호영 교수(서울대학교) 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.
○ 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.

□ 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.

주요내용 설명

<작성자 : 서울대학교 재료공학부 선정윤>
< 논문명, 저자정보 >

키워드
Spiderwebs, ionics, electrostatics, soft robotics, biomimetics.
저널명
Science Robotics
논문명
Ionic spiderwebs
저 자
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)

< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 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. 자연에서는 다양한 생물들이 간단한 구조만으로도 상호보완적인 기능들을 통합적으로 구현하는 것을 목격할 수 있다. 예를 들어 정주성 거미는 점성이 있는 신축성의 거미줄을 이용하여 먹이를 포획한다. 그러나 거미줄의 강한 접착력은 오염을 유발하기 때문에 거미는 거미줄의 포획 능력을 유지하기 위해 먹이를 감지하고 오염물을 제거할 수 있는 능력을 진화시켜왔다.
○ 거미는 최소한의 거미줄을 이용해 먹이를 잠깐 포획할 수 있는 그물을 만든 뒤 기다린다. 이후 먹이가 거미줄에 걸리면서 발생한 거미줄의 진동을 감지한 거미는 탈출을 막기 위해 추가적인 거미줄을 먹이에 감는다. 즉 거미의 먹이감지 능력은 거미가 최소한의 거미줄 만으로 그물을 칠 수 있게 해주며, 이를 통해 오염되는 거미줄의 양을 최소한으로 유지할 수 있게 해준다.
○ 또한 거미는 새총을 쏘듯 거미줄을 잡아당겼다 놓는 방식으로 거미줄에 붙어있는 오염물들을 날려버린다. 관성력을 이용하는 것이다. 이를 통해 오염된 거미줄의 포획 능력을 원래의 상태로 회복시킬 수 있다. 이처럼 신축성의 거미줄만을 이용하여 먹이를 감지 및 포획하고, 오염물을 제거하는 거미의 행동학적 특성에서 영감을 받아 상호보완적인 구성요소들을 간단한 구조로 통합한 소프트 로봇을 개발하고자 하였다.

2. 연구내용
○ 거미의 행동학적 특성에서 영감을 받아 거미의 먹이 감지 및 포획, 그리고 오염물 제거 능력을 전기적인 방식으로 모사하는 거미줄 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 신축성 전극 역할을 하는 선형의 이온 전도성 오가노젤 코어와 이를 감싸고 있는 신축성 절연체 역할의 실리콘 탄성체로 구성되어 있다.
○ 개발된 거미줄 로봇에 직류 고전압을 인가해주면, 로봇 주위에는 강력한 전기장이 형성되며 주변 물체의 분극을 유도하게 된다. 이렇게 분극된 물체와 로봇 사이에는 강한 정전기적 인력이 작용하기 때문에 거미줄 로봇은 금속, 폴리머, 세라믹 등 다양한 종류의 물체를 전기적으로 포획할 수 있다. 또한 개발된 거미줄 로봇은 모든 구성 요소가 신축성 있는 소재로 구성되어 원래 길이의 3배까지 늘어날 수 있으며, 이러한 신축성을 바탕으로 자신보다 68배 더 무거운 물체를 포획하는 데 성공하였다.
○ 거미줄 로봇은 정전기유도 현상으로 물체 표면의 정전하로부터 나오는 전기장을 감지할 수 있다. 이러한 능력은 거미줄 로봇이 물체와의 상대적인 거리를 비접촉 방식으로 감지할 수 있게 해주며, 물체가 충분히 접근했을 때만 전기 포획 기능을 작동하여 불필요한 오염물이 포획되는 것을 예방할 수 있게 해준다. 이러한 감지 능력을 바탕으로 거미줄 로봇은 감지 능력이 없는 경우와 비교해 포획력을 32.5배 높게 유지하는 데 성공하였다.
○ 이러한 감지 능력에도 불구하고 거미줄 로봇이 오염되는 경우에는 거미줄 로봇에 교류 고전압을 인가하여 오염물을 제거할 수 있다. 인가된 교류 전압의 진동수가 로봇의 공명 진동수와 일치하게 되면 로봇은 초당 수백 번까지 빠르게 진동하며 표면의 오염물을 관성력을 이용해 튕겨낼 수 있으며, 이러한 오염물 제거 능력을 통해 오염물에 의해 감소한 포획력을 98.7% 이상 회복하는 데 성공하였다.
* 이온 전도성 : 전기 전도가 전자나 정공이 아닌, 이온에 의해 이루어지는 성질.
* 오가노젤 : 다량의 유기용매와 삼차원적으로 가교된 고분자 사슬로 이루어진 신축성이 있는 고상의 소재로, 용매에 녹아있는 이온에 의해 이온 전도성을 갖는다.

3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구를 통해 개발된 거미줄 로봇은 유전 탄성체로 코팅된 신축성의 유연 전극 한 쌍만으로도 물체의 포획과 감지, 그리고 오염물 제거가 가능하다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 기술들은 최근 소프트 로봇 분야에서 차세대 인공 근육과 전자 피부로 주목받고 있는 유전 탄성체 액추에이터와 축전 촉각 센서, 그리고 다양한 크기와 형태의 비정형화된 물체를 잡을 수 있는 소프트 그리퍼 등에 주요한 설계 변경 없이도 추가적인 기능성을 부여해 활용 범위를 더욱 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다.
○ 또한, 본 연구는 자연 모사를 통해 다양한 상호보완적인 구성요소들을 간단한 구조로 결합시킨 소프트 로봇 시스템을 디자인하는 방법론을 제시함으로써 소프트 로봇이 한 단계 더 도약할 수 있는 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대된다.

그림 설명

 

 

(그림 1) 거미줄 로봇의 구조
개발된 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.
제공 : 서울대학교 선정윤 교수

 

 

(그림 2) 거미의 행동학적 특성을 모사한 거미줄 로봇
정주성 거미는 점성이 있는 신축성의 거미줄만을 이용하여 먹이를 감지 및 포획하고, 오염물을 제거할 수 있다. 이러한 거미의 행동학적 특성에서 영감을 받아 개발된 거미줄 로봇은 유전 탄성체로 코팅된 신축성 전극 한 쌍만으로 물체의 감지 및 포획, 그리고 오염물 제거를 전기적으로 수행할 수 있다.
제공 : 서울대학교 선정윤 교수

 

 

(그림 3) 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

 

 

(그림 4) 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 2020년 7월호 표지
거미줄 로봇 관련 이번 연구성과는 로봇공학 분야 국제학술지‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’저널(2019년 JCR Robotics 분야 1위)의 표지논문으로 7월 16일 게재되었다.
제공 : 서울대학교 선정윤 교수

연구 이야기

<작성자 : 서울대학교 이영훈, 송원준 박사과정 연구원>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구실은 연성재료 중에서도 젤이라는 물질을 중점적으로 연구한다. 젤은 다량의 용매와 삼차원적으로 결합된(cross-linking) 중합체 사슬로 이뤄진 신축성 있는 고상의 소재로, 용매에 이온이 녹아 있으면 이온성 전도체로 쓸 수 있다. 이런 특성들을 바탕으로 젤을 신축성 전극으로 활용하려는 연구를 진행하고 있다. 실제 액추에이터, 센서, 전원공급장치, 회로소자 같은 소프트 로봇의 구성요소들을 개발해 왔다. 본 연구는 소프트 로봇의 개별적인 구성요소들을 연구하는 데서 나아가 다양한 구성요소들을 하나의 로봇 시스템으로 통합할 수 있는 새로운 연구방향을 제시하고자 시작하게 되었다.

□ 특별한 에피소드가 있었다면?

다양한 구성요소들을 하나의 로봇 시스템으로 통합하는 방법에 대해 초기에는 고민이 많았다. 우연히 거미에 관한 논문 한 편을 읽게 되었는데, 중학교 과학 선생님과 학생들이 수행한 거미의 이슬제거 행동에 관한 연구결과였다. 우리는 곧바로 연구책임자이신 서산 음암중학교 김만용 선생님께 연락을 드렸고, 선생님께서는 흔쾌히 10여 년간 전국의 산과 들에서 직접 모은 거미의 행동학적 특성에 관한 자료를 공유해주셨다. 방대한 자료들은 거미줄 로봇을 성공적으로 개발할 수 있는 실마리가 되었다. 선생님의 참된 연구자로서의 모습은 단순히 연구 하나를 성공적으로 마무리하는 것을 넘어 앞으로 연구자로서 가져야 할 태도에 대해 다시 한 번 생각해볼 기회가 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

부드러운 소재로 구성된 소프트 로봇은 높은 자유도와 적응성을 바탕으로 재난 구조 현장과 같은 좁은 틈에서 활약하거나 유리잔과 같이 부서지기 쉬운 물체들을 잡는 등, 기존의 단단한 소재로 구성된 로봇을 적용하기 어려운 분야에서 활약할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 소프트 로봇이 잠재력을 온전히 발휘하기 위해서는 다양한 구성요소들이 상호보완적으로 작용할 수 있는 로봇 시스템에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 신축성 있는 거미줄만을 이용해 먹이를 감지, 포획하고 나아가 오염물을 제거하는 거미의 행동학적 특성에서 영감을 받아 상호보완적인 구성요소들을 간단한 구조로 통합한 소프트 로봇을 개발하였으며, 소프트 로봇의 잠재력을 한 단계 끌어올릴 수 있는 새로운 연구방향을 제시하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 후속 연구계획은?

거미줄 로봇은 유전 탄성체로 코팅된 신축성의 유연 전극 한 쌍만으로 물체를 감지, 포획하고 오염물을 제거할 수 있다. 차세대 인공근육과 전자피부로 주목받는 유전 탄성체 액추에이터와 축전 촉각센서, 그리고 다양한 크기와 형태의 비정형화된 물체를 잡을 수 있는 소프트 그리퍼 등에 주요한 설계변경 없이도 추가적인 기능성을 부여해 활용범위를 더욱 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 거미의 행동학적 특성을 모사함으로써 상호보완적인 구성요소들을 간단한 구조로 결합시킨 소프트 로봇 시스템의 개념을 제시하는 데 초점을 맞추었다. 후속연구에서는 제시한 로봇 시스템을 더욱 실용적인 형태로 발전시키고자 한다.