스탠퍼드 엔지니어들이 게코 스타일 그립을 갖춘 로봇 손을 개발했다
스탠퍼드 대학교는 게코도마뱀에서 영감을 받은 로봇 손을 개발하며 수년간 큰 진전을 이뤘습니다. 2021년 5월에는 '게코 그립' 버전이 국제우주정거장에 실려 우주 쓰레기 수거와 위성 포획 같은 작업의 성능을 시험했습니다.
수많은 로봇 손과 집게에는 공통된 적이 있습니다. 과학자들이 '가보 토마토 문제'라고 부르는 것입니다. 로봇 집게가 달걀을 능숙하게 집거나 농구공을 잘 다루는 모습을 보셨을 수도 있지만, 사람의 손과 달리 하나의 집게로 두 가지를 모두 하기는 어렵고, 핵심 과제는 그 중간에 숨어 있습니다.
“로봇 손이 강하게 쥐는 동작과 정밀하게 집는 동작을 해내는 모습을 보게 되고, 그 사이에 있는 모든 것도 할 수 있으리라 여기게 됩니다. 우리는 강하면서도 날렵한 조작기를 어떻게 만들 수 있을지 해결하고자 했습니다”
이 목표의 결과물이 'farmHand'입니다. 이는 루오톨로 연구진과 데인 브라우어(스탠퍼드 생체모방 및 정교한 조작 연구실, 일명 '농장'의 대학원생)가 개발한 로봇 손으로, Science Robotics에 게재된 논문에 자세히 설명되어 있습니다. 시험에서 연구진은 farmHand가 날달걀, 포도송이, 접시, 액체가 담긴 주전자, 농구공, 심지어 앵글 그라인더까지 다양한 물체를 다룰 수 있음을 보여주었습니다.
FarmHand는 두 가지 생물학적 영감의 이점을 누립니다. 다관절 손가락은 사람의 손을 닮았지만 손가락은 네 개입니다. 손가락 표면은 게코도마뱀을 닮은 접착제로 덮여 있습니다. 이 끈적이지만 끈끈하지는 않은 소재는 게코도마뱀의 발가락 구조를 바탕으로 하며, 지난 10년 동안 공과대학 기계공학과 교수이자 이 연구의 수석 저자인 마크 카트코스키가 이끄는 생체모방 및 정교한 조작 연구실에서 개발되었습니다.
다지 손가락 인체형 집게에 게코 접착제를 사용하는 것은 처음이어서, farmHand의 손가락을 조종하는 힘줄과 접착 패드 아래 손가락 끝 구조에 특별한 주의가 필요한 과제였습니다.
게코도마뱀 발가락과 마찬가지로 게코 접착제는 미세한 털 조각들을 통해 강하게 달라붙습니다. 표면과 완전히 접촉하면 이 조각들은 반데르발스 힘을 만들어 냅니다. 이는 분자 외부의 전자 위치의 미세한 차이에서 생기는 약한 분자 간 힘입니다. 그 결과 접착제는 강하게 붙을 수 있지만 그러기 위해 필요한 힘은 작습니다. 또 다른 장점은 만졌을 때 끈적이지 않고 흔적도 남기지 않는다는 것입니다.
“게코 접착제의 초기 응용은 로봇의 벽타기, 사람의 등반, 또는 우주에서 매우 크고 매끄러운 물체를 잡는 데 집중되었습니다. 하지만 우리는 항상 더 실용적인 용도로 쓰기를 생각해 왔습니다. 문제는 게코 접착제가 실제로 매우 까다롭다는 것입니다”
핵심은 게코 접착제가 반데르발스 힘을 활성화하려면 특정한 방식으로 표면에 닿아야 한다는 점입니다. 평평한 표면에 매끄럽게 발릴 때는 이를 제어하기 비교적 쉽지만, farmHand처럼 여러 개의 끈끈한 부분을 서로 다른 각도로 물체에 닿게 해 잡아야 할 때는 훨씬 어렵습니다.
접착 부위 아래에 있는 farmHand의 손가락 패드는 이 문제를 해결하는 데 도움을 줍니다. 이 패드는 적은 힘으로 구부러지는 접이식 주름 구조로 만들어졌습니다. 접촉 위치나 각도와 관계없이 주름이 계속 구부러져 끈끈한 패드들에 같은 힘이 가해지도록 하고, 어느 한 패드가 너무 일찍 미끄러지는 것을 막습니다.
“이 주름을 움직이면 어디서 시작하든 구부러짐으로 같은 힘이 생깁니다. 이는 로봇공학을 넘어 신발 밑창이나 오프로드 타이어 같은 분야에도 적용할 수 있는 단순한 물리적 현상입니다”
힘줄 또한 매우 중요한데, 이것이 쥐는 힘을 과도하게 늘릴 수 있게 해 주기 때문입니다. 많은 로봇 손과 집게가 손끝으로 무언가를 집어 올리듯 'C' 자 형태로 물체를 쥐는 반면, farmHand는 패드 하나를 손끝으로 눌러 다른 패드에 밀착시킵니다. 이를 통해 접착제가 작용할 수 있는 표면적이 넓어집니다.
올바른 설계를 찾는 것은 특히 어려웠는데, 기존의 컴퓨터 시뮬레이션으로는 부드러운 물체를 다룰 때 실제 성능을 예측하기 어렵기 때문입니다. 이는 로봇 집게 문제의 또 다른 요인입니다. 그러나 연구진은 여러 개의 단단하고 부드러운 플라스틱 부품을 비교적 빠른 주기로 3D 프린팅하고 시험할 수 있었던 덕분에 큰 도움을 받았습니다. 연구진은 불과 5년 전이었다면 이런 성공이 불가능했거나, 적어도 훨씬 느렸을 것이라고 보기도 합니다.
farmHand의 추가 개선으로, 손이 어떻게 잡고 있는지, 그리고 사용 중에 어떻게 하면 더 잘 잡을 수 있는지 사용자가 이해할 수 있도록 돕는 피드백 기능이 등장할 수 있습니다. 연구진은 이 연구의 상업적 응용도 검토하고 있습니다.
