하버드대, 형태 변형 기능 내장한 소프트 로봇 3D 프린팅 기술 개발
'어드밴스드 머티리얼스'에 논문 발표
미국 하버드대학교 연구팀이 공기 주입만으로 원하는 방향으로 구부러지고 변형되는 소프트 로봇을 3D 프린팅으로 제작할 수 있는 혁신적인 기술을 개발하였습니다. 이는 유연하고 생체적합성을 갖춘 소프트 로봇의 정밀한 설계 및 제어라는 오랜 난제를 해결할 수 있는 중요한 진전으로 평가됩니다.
회전식 다중소재 3D 프린팅 기술
제니퍼 루이스 하버드대학교 교수팀은 자체 개발한 '회전식 다중소재 3D 프린팅(rotational multimaterial 3D printing)' 방식을 활용하여 이 기술을 구현하였습니다. 이 방식은 하나의 노즐을 통해 두 가지 이상의 상이한 소재를 동시에 출력함으로써, 복잡한 소프트 로봇 구조물을 효율적으로 제작할 수 있습니다.
정교한 제작 방식과 소재 활용
새로운 제작 방법은 속이 빈 채널이 정밀하게 배치된 긴 필라멘트를 출력하는 과정을 포함합니다. 초기 필라멘트는 폴리우레탄과 젤 성분의 고분자로 내부 채널이 구성되며, 외피가 굳으면 젤 성분을 씻어내어 속이 빈 관형 구조물을 완성하게 됩니다. 이 빈 공간에 공기를 주입함으로써 장치가 미리 설정된 방식으로 구부러지고 변형되는 내장된 형태가 발현됩니다. 연구팀은 프린터 노즐의 설계, 회전 속도, 소재 흐름 속도를 정밀하게 제어하여 각 내부 채널의 방향, 형태, 크기를 정확하게 프로그래밍할 수 있었습니다. 이를 통해 팽창, 수축, 파지(grasp) 기능을 갖춘 소프트 장치의 개발 기반이 마련되었습니다.
이번 연구에 참여한 잭슨 윌트 연구원은 단일 출구에서 두 가지 소재를 사용하며, 이를 회전시켜 공기 주입 시 로봇이 구부러지는 방향을 설정할 수 있다고 설명하였습니다.
기존 방식과의 차별성
본 기술은 기존 소프트 로봇 제작 방식인 몰드 주형 공정의 복잡성을 크게 줄일 수 있는 대안으로 주목받고 있습니다. 기존 방식은 소프트 소재를 몰드에 주입하고, 표면에 공압 채널을 패터닝한 후 다른 레이어로 봉합하는 다단계의 과정을 거쳐야 했습니다. 그러나 이번 개발된 기술은 몰드를 사용하지 않아 구조물을 직접 출력하고, 프로그래밍 및 구동 방식의 맞춤화를 신속하게 진행할 수 있다는 장점을 가집니다.
윌트 연구원은 이번 연구에서는 몰드를 사용하지 않고 구조물을 직접 출력하며, 이를 통해 빠르고 신속하게 프로그래밍 및 구동 방식을 맞춤화할 수 있다고 부연 설명하였습니다.
기술 검증 및 미래 적용 분야
연구팀은 기술력 검증을 위해 꽃 패턴을 연속적으로 나선형으로 출력하는 데 성공하였으며, 손가락 관절처럼 구부러지는 5개의 손가락을 갖춘 핸드를 제작하는 성과를 보였습니다.
이러한 유연하고 생체적합성 소재로 제작된 소프트 로봇은 수술 로봇, 인간용 보조 장치와 같은 의료 분야 및 제조업 전반에 걸쳐 높은 수요를 보일 것으로 예상됩니다. 특정 목적에 맞춰 정밀하게 설계하고 제어하는 것이 그동안의 난제로 지적되었으나, 이번 기술을 통해 다양한 응용 분야로의 확장 가능성이 제시되었습니다.
연구팀은 이번 연구 성과를 전문 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 발표하였습니다. 논문 제목은 'Rotational Multimaterial 3D Printing of Soft Robotic Matter With Embedded Asymmetrical Pneumatics'입니다.
마치며
하버드대학교 연구팀이 개발한 회전식 다중소재 3D 프린팅 기술은 소프트 로봇 제작의 패러다임을 변화시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 복잡한 제조 공정을 간소화하고 정밀한 제어를 가능하게 함으로써, 의료 및 산업 분야에서의 소프트 로봇 활용 범위를 넓히는 데 기여할 것입니다. 본 기술은 미래 로봇공학 발전의 중요한 동력이 될 것으로 사료됩니다.
이번 하버드대의 혁신적인 소프트 로봇 3D 프린팅 기술 개발은 다양한 산업 분야에 실용적인 활용 가능성을 제시하고 있습니다. 한양3D팩토리는 이러한 첨단 3D프린팅 기술의 국내 도입 및 확산에 기여하고자 노력하고 있습니다.
