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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.

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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.

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'손으로 빚는 미래' 3D 프린팅 혁명: 설계, 정밀, 제어의 경계를 넘어

3D 프린팅 기술은 단순한 시제품 제작을 넘어 본격적인 최종 제품 생산 도구로 자리매김하고 있습니다. 적층 제조(Additive Manufacturing) 방식은 제조업 전반의 패러다임을 바꾸며, 설계, 정밀도, 제어력이라는 세 가지 핵심 축을 중심으로 발전하고 있습니다.

설계 유연성의 확장: 가공 불가능을 가공 가능한 것으로

3D 프린팅 기술이 비약적으로 주목받는 이유 중 하나는 설계의 유연성이 기존 공정 이상의 가능성을 제시하고 있기 때문입니다. 이 기술은 복잡한 기하학적 형상도 단일 부품으로 구현할 수 있어, 가공 불가능하던 영역을 실현 가능한 영역으로 전환시켰습니다.

경량화를 현실로 만드는 격자 구조 기술

격자 구조(Lattice Structure)는 부품의 내부를 벌집 모양이나 해면 조직과 같이 비워 경량화를 실현하면서도 구조적 강성을 유지하는 설계를 가능하게 하였습니다. 항공우주 분야에서는 연료 효율을 극대화하는 터빈 블레이드와 같은 부품에서 활용되고 있으며, 의료 분야에서는 환자 맞춤형 임플란트에 적용되어 생체 적합성과 골융합 효과를 향상시키고 있습니다.
이러한 구조는 구조 최적화 소프트웨어와 결합함으로써, 재료가 필요한 위치에 집중적으로 분포되도록 설계할 수 있는 기반을 마련하였습니다.

다중 소재·4D 프린팅의 설계 확장성

단일 공정으로 복합 기능을 구현하는 다중 소재(Multi-material) 프린팅은 하나의 부품 안에서 서로 다른 기계적 특성을 통합할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 단단한 플라스틱과 유연한 엘라스토머의 적층을 통해 충격 흡수와 강도를 동시에 확보할 수 있습니다.
더 나아가, 외부 환경에 반응하는 4D 프린팅 기술은 스마트 센서, 소프트 로봇 분야에서 새로운 활용 가능성을 제기하고 있으며, 향후 적응형 부품의 핵심 기술로 주목받고 있습니다.

산업화의 핵심 조건: 정밀도와 품질의 확보

설계 자유도만으로는 산업화가 어려우며, 미세 수준의 정밀도 확보는 제조 기술로서의 가능성을 결정짓는 요소입니다. 최근의 기술 고도화는 마이크로미터 수준의 정밀도 구현을 통해 3D 프린팅을 양산 기술로 전환시키고 있습니다.

고해상도 적층 기술의 도약: SLM과 DLP

금속 3D 프린팅에서 활용되는 SLM(Selective Laser Melting) 및 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 방식은 입자의 용융 및 소결 공정을 정밀하게 제어함으로써 높은 기계적 강도를 유지하면서도 벽 두께를 최소화할 수 있게 하였습니다.
이와 함께, DLP(Digital Light Processing) 기술은 픽셀 단위의 정밀 제어를 통해 고해상도 출력이 가능하며, 한 층 전체를 동시에 경화시킴으로써 출력 시간을 대폭 단축하였습니다. 이는 치과, 의료기기 등 고정밀 부품에 적합합니다.

프린팅 환경 제어 기술의 정착

FDM 기반 3D 프린팅의 경우, 적층 중 발생 가능한 진동, 온도 편차, 재료 수축 등의 문제는 결과물의 품질에 직결됩니다.
이를 해결하기 위해 도입된 CoreXY와 같은 정밀 모션 시스템과 정밀 온도 제어가 가능한 챔버 기술은 출력 과정에서의 환경을 안정화하여 부품의 일관된 품질 유지를 가능하게 하였습니다.

공정 제어력의 진화: AI와 센서 기반 생태계

정밀하고 복합적인 설계가 가능해졌다면 그것을 실현하는 과정에서의 제어 또한 정교해야 합니다. 최근의 3D 프린팅 기술은 센서 데이터 기반의 실시간 모니터링과 인공지능(AI) 기반 제어 시스템을 통해 제조 과정을 자동화하고 있습니다.

실시간 모니터링의 실현과 오류 수정 자동화

최신 3D 프린터는 열화상 카메라, 적층 높이 측정 레이저 센서, 고속 비전 시스템 등을 활용하여 출력 중 발생하는 오류를 실시간으로 감지하며, AI 알고리즘이 이를 분석하여 출력을 제어하는 폐쇄 루프 제어 시스템을 구현하였습니다.
이로 인해 출력 품질의 일관성이 향상되었으며, 사용자 개입이 없는 자동화 생산이 가능해졌습니다.

AI 기반 시뮬레이션 및 디지털 재고 체계

공정 제어의 또 다른 핵심은 출력 전 예측 기술에 있습니다. AI 시뮬레이션은 가상 환경에서 부품의 변형, 열응력, 응집 강도 등을 예측하여 설계를 사전에 보완함으로써 출력 실패율을 낮출 수 있습니다.
또한 디지털 재고(Digital Inventory) 개념은 실제 부품이 아닌 설계 데이터를 저장하고 필요 시 현장에서 즉시 출력하는 온디맨드 생산 체계를 지원하여, 글로벌 공급망 이슈와 재고 비용 문제를 동시에 해결할 수 있는 전략이 되고 있습니다.

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3D프린팅 산업은 기술의 융합을 통해 앞으로도 지속적인 혁신을 이루어낼 것입니다. 한양3D팩토리는 이러한 기술 발전을 선도하며 신뢰할 수 있는 파트너로 성장해 나가고 있습니다. 향후 3D프린팅 도입을 고려하실 때 참고하시기 바랍니다.