컴퓨터 메모리 기술로 공기압 구동 로봇의 움직임을 제어한다
캘리포니아대학교 리버사이드 캠퍼스의 엔지니어들은 2021년 여름, 연성 로봇을 제어하는 데 쓸 수 있는 공기압 구동 컴퓨터 메모리를 발표했습니다. 이 혁신은 연성 로봇공학 발전을 가로막는 가장 큰 장애물 중 하나인 공기압과 전자공학 사이의 근본적인 불일치를 극복합니다. 연구진은 이 연구 결과를 PLOS One에 게재했습니다.
연구 자료에는 다음과 같이 적혀 있습니다. “공기압 연성 로봇은 여러 응용 분야에서 기존 강성 로봇보다 장점을 지닙니다. 특히 유연한 몸체와 부드러운 공기 기반 움직임 덕분에 기존 로봇에 의해 다치거나 손상될 수 있는 사람이나 다른 물체 곁에서 사용하기에 더 적합합니다. 그러나 현재 연성 로봇을 제어하는 기존 시스템은 각 독립 액추에이터의 작동 상태(확장 또는 수축)를 유지하기 위해 특수한 전기기계 장치(보통 솔레노이드 밸브)를 필요로 합니다.”
공기압 연성 로봇은 압축 공기를 이용해 부드럽고 탄력 있는 팔다리와 그리퍼를 움직입니다. 섬세한 작업에서는 기존 강성 로봇보다 훨씬 뛰어나며, 사람에게도 더 안전합니다.
그러나 현재의 공기압 연성 로봇 제어 시스템은 여전히 전자 밸브와 컴퓨터를 사용해 로봇의 움직이는 부품의 위치를 유지합니다. 이러한 전자 부품은 연성 로봇의 비용, 크기, 전력 소모를 크게 늘려 성능을 제한합니다.
연성 로봇공학을 미래로 이끌기 위해, 바이오엔지니어링 박사 셰인 호앙, 바이오엔지니어링 교수 윌리엄 글로버, 컴퓨터공학 교수 필립 브리스크, 기계공학 교수 콘스탄티노스 카리디스가 이끄는 연구팀은 과거에서 답을 찾았습니다.
“공기압 논리”는 전자식 컴퓨터보다 먼저 등장했으며, 한때 온도 조절기와 기타 공조 장치부터 1900년대 초의 피아노에 이르기까지 다양한 제품에서 고급 제어를 제공했습니다. 공기압 논리에서는 전기가 아닌 공기가 회로나 채널을 통과하며, 공기압은 켜짐/꺼짐 또는 참/거짓을 나타내는 데 사용됩니다. 현대 컴퓨터에서는 이러한 논리 상태가 전기 신호의 흐름을 시작하거나 멈추기 위한 1과 0의 코드로 표현됩니다.
공기압 연성 로봇에는 움직이는 부품의 위치를 기억하고 유지할 방법이 필요합니다. 연구진은 연성 로봇을 위한 공기압 논리 “메모리”를 만들 수 있다면, 현재 이 목적으로 쓰이는 전자 메모리를 없앨 수 있을 것이라고 보았습니다.
연구진은 전자 트랜지스터 대신 마이크로플루이딕 밸브를 사용해 공기압 랜덤 액세스 메모리(RAM) 칩을 만들었습니다. 마이크로플루이딕 밸브는 원래 칩에서 액체의 흐름을 제어하도록 개발되었지만, 공기의 흐름도 제어할 수 있습니다.
밸브는 공기 공급 라인에서 분리되더라도 압력 차이에 의해 닫힌 상태를 유지하며, 이렇게 지연된 압력 차이가 메모리 역할을 하여 로봇 액추에이터의 상태를 유지합니다. 이 밸브들을 조밀하게 배열하면 복잡한 연산을 수행할 수 있고, 공기압 로봇 제어에 흔히 쓰이는 값비싸고 부피가 크며 전력을 많이 소모하는 전자 장비의 사용을 줄일 수 있습니다.
연구팀은 마이크로플루이딕 밸브를 대량의 공기 유량을 처리할 수 있도록 개량한 뒤, 더 크고 빠르게 움직이는 연성 로봇을 제어할 수 있는 8비트 공기압 RAM(랜덤 액세스 메모리) 칩을 만들었고, 이를 3D 프린터로 출력한 한 쌍의 고무 팔에 넣었습니다. 공기압 RAM은 대기압을 “0” 또는 “거짓”으로, 진공을 “1” 또는 “참”으로 나타냅니다. 로봇의 연성 손가락은 대기압에서 펴지고, 진공에 연결되면 오므라듭니다.
연구진은 RAM 칩의 채널에서 대기압과 진공의 조합을 달리하여, 로봇이 피아노로 음표, 화음, 그리고 “Mary Had a Little Lamb” 한 곡 전체를 연주하도록 만들 수 있었습니다.
이론상 이 시스템은 전자 장비 없이, 진공을 만드는 배터리 구동 펌프만으로 다른 로봇을 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 연구진은 시스템 어디에도 양압이 없고 공기가 정상 대기압에만 있다면, 압력이 우발적으로 상승해 로봇이나 제어 시스템이 심각하게 고장 날 위험이 없다고 설명합니다.
이 기술을 사용하는 로봇은, 예를 들어 운동 장애가 있는 영유아를 위한 착용형 기기처럼, 사람에게 또는 사람 곁에서 섬세하게 사용하기에 특히 안전할 것입니다.
물론 이 기술은 일상적인 사용과는 거리가 멉니다. 복잡성과 속도를 필요한 수준으로 개선하는 것 외에도, 로봇이 단단한 전자 장치를 완전히 없애려면 프로세서와 기타 부품의 소프트웨어 버전이 필요할 것입니다. 그럼에도 목표는 분명합니다. 공기압 메모리는 적어도 연성 로봇에 필요한 반도체 칩의 수를 줄일 수 있으며, 충돌 시에도 사람을 다치게 하지 않는 완전히 유연한 로봇공학의 미래를 가리키고 있습니다.
