MIT 연구진, 부드러운 구동기를 갖춘 마이크로로봇 개발
무엇이든 많다고 항상 좋은 것은 아닙니다. 언젠가는 곤충 크기의 로봇 무리가 농작물을 수분하거나 무너진 건물의 잔해 속에서 생존자를 찾을 수 있을지도 모릅니다.
MIT 연구진은 곤충과 비슷한 기동성과 안정성으로 날아다닐 수 있는 초소형 드론을 선보였으며, 이 드론들은 결국 그러한 임무를 수행할 수 있게 될 것입니다.
이 초소형 로봇을 움직이는 부드러운 구동기는 매우 튼튼하지만, 같은 크기의 단단한 구동기보다 훨씬 높은 전압이 필요합니다. 가벼운 로봇은 스스로 날 수 있게 해 줄 필요한 전력 전자 장치를 탑재할 수 없습니다.
연구진은 기존 버전보다 전압이 75% 낮고 탑재 가능 하중은 80% 더 많은 부드러운 구동기를 만들 수 있는 제조 기술을 처음으로 개발했습니다. 이 부드러운 구동기는 로봇의 날개를 빠르게 퍼덕이게 하는 인공 근육과 비슷합니다.
새로운 제조 기술로 결함이 적은 인공 근육을 만들 수 있게 되었으며, 이는 부품의 수명을 크게 늘리고 로봇의 성능과 탑재 하중을 높입니다.
“이는 미래에 마이크로로봇에 전력 전자 장치를 사용하는 방향으로 나아갈 많은 가능성을 열어 줍니다. 사람들은 부드러운 로봇이 단단한 로봇만큼 유능하지 않다고 생각하는 경향이 있습니다. 우리는 무게가 1그램도 안 되는 이 로봇이 정지 비행 중 오차가 가장 작은 상태로 가장 오래 비행한다는 것을 보여 주고 있습니다. 핵심은 부드러운 로봇이 성능 면에서 단단한 로봇을 능가할 수 있다는 것입니다”
직사각형 마이크로로봇에는 각각 부드러운 구동기로 움직이는 네 쌍의 날개가 있습니다. 이 근육질 구동기는 두 개의 매우 얇은 전극 사이에 끼운 엘라스토머 층을 부드러운 원통형으로 말아 만든 것입니다. 구동기에 전압이 가해지면 전극이 엘라스토머를 압축하고, 이 기계적 응력이 날개를 퍼덕이는 데 쓰입니다.
구동기의 표면적이 클수록 필요한 전압은 줄어듭니다. 천 교수와 그의 팀은 초박형 엘라스토머 층과 전극을 가능한 한 많이 번갈아 쌓아 이러한 인공 근육을 만듭니다. 엘라스토머 층이 얇아질수록 점점 더 불안정해집니다.
연구진은 처음으로 각 두께가 10마이크로미터(대략 적혈구의 지름)인 20개 층으로 된 구동기를 만들 수 있었습니다. 하지만 이를 위해서는 제조 과정의 일부를 처음부터 새로 고안해야 했습니다.
주요 장애물 중 하나는 원심 코팅 공정이었습니다. 이 방식의 코팅에서는 엘라스토머를 평평한 표면에 붓고 빠르게 회전시키며, 원심력이 막을 바깥쪽으로 잡아당겨 더 얇아지게 합니다.
“이 과정에서 공기가 엘라스토머 안으로 다시 들어가 수많은 미세한 공기 방울을 만듭니다. 이 공기 방울의 지름은 겨우 1마이크로미터이기 때문에 지금까지는 이를 그냥 무시해 왔습니다. 하지만 층이 점점 더 얇아지면 공기 방울의 영향이 점점 더 커집니다. 이것이 사람들이 매우 얇은 층을 만들 수 없었던 이유입니다”
연구진은 원심 코팅 직후, 엘라스토머가 아직 젖어 있을 때 진공 처리를 하면 공기 방울이 제거된다는 것을 알아냈습니다. 그런 다음 엘라스토머를 구워 말립니다.
첸의 설명에 따르면, 이러한 결함을 없애면 구동기 출력이 300% 이상 증가하고 수명도 크게 늘어납니다.
연구진은 또한 탄소 나노튜브로 이루어진 얇은 전극도 최적화했습니다. 탄소 나노튜브는 초강도 탄소 다발로, 인간 머리카락 지름의 약 1/50,000 수준입니다. 탄소 나노튜브 농도를 높이면 구동기 출력이 커지고 전압은 낮아지지만, 층이 촘촘해질수록 결함도 많아집니다.
예를 들어 탄소 나노튜브는 끝이 날카로워 엘라스토머를 뚫고 장치를 단락시킬 수 있습니다. 여러 차례 시행착오 끝에 연구진은 최적의 농도를 찾아냈습니다. 또 다른 문제는 경화 단계에서 발생합니다. 층이 많아질수록 구동기가 마르는 데 더 오래 걸립니다.
“처음으로 학생에게 다층 구동기를 만들어 보라고 했을 때, 그는 12층을 쌓았지만 굳기까지 이틀을 기다려야 했습니다. 이는 특히 층수를 늘리고 싶을 때 전혀 받아들일 수 없는 일입니다.”
연구진은 탄소 나노튜브를 엘라스토머에 옮긴 직후 각 층을 몇 분간 굽는 방식이 층을 추가할수록 경화 시간을 줄인다는 것을 발견했습니다.
이 기법으로 20층 인공근육을 만든 뒤 연구진은 이를 이전의 6층 버전 및 최신 강성 구동기와 비교 시험했습니다.
들어올리기 실험에서 500볼트 미만으로 작동하는 20층 구동기는 로봇에 3.7:1의 양력 대 중량 비율을 제공할 만큼 충분한 힘을 냈고, 이 로봇은 자기 무게의 거의 세 배에 달하는 물체를 옮길 수 있었습니다.
또한 20초 동안 공중 정지 비행을 시연했습니다. 공중에 떠 있는 로봇은 다른 어떤 로봇보다 안정적으로 유지됐습니다. 20층 구동기는 200만 회 이상의 사이클 후에도 여전히 문제없이 작동했으며, 이는 다른 구동기의 수명을 크게 넘어서는 수치입니다.
“2년 전 우리는 최대 출력을 가진 구동기를 만들었지만, 그것은 거의 날 수 없었습니다. 우리는 소프트 로봇이 언젠가 강성 로봇과 경쟁할 수 있을지 의문을 갖기 시작했습니다. 결함이 하나씩 나타났고, 우리는 계속 연구하며 생산상의 문제를 하나씩 해결했습니다. 그 결과 소프트 액추에이터의 성능이 뒤처지지 않게 되었고, 심지어 최신 강성 구동기보다 약간 낫습니다. 재료 과학에는 아직 우리가 이해하지 못하는 생산 공정도 많습니다. 그래서 작동 전압을 더 낮추는 작업을 계속하게 되어 매우 기쁩니다.”
첸은 Niroui와 협력해 MIT.nano의 클린룸에서 구동기를 만들고 나노 제조 기술을 활용하기를 원합니다. 현재 팀은 공기 중 먼지와 최대 코팅 속도 때문에 층을 얼마나 얇게 만들 수 있는지에 한계가 있습니다. 클린룸 작업은 이 문제를 해결하고, 스핀 코팅보다 더 정밀한 기법을 사용할 수 있게 합니다.
첸은 10마이크로미터 두께의 액추에이터 층을 만드는 데 열중하고 있지만, 두께를 1마이크로미터까지 줄이기를 기대하고 있습니다. 이는 곤충 크기 로봇의 다양한 응용 분야로 가는 문을 열 것입니다.
