벌레와 스프링이 부드러운 로봇 기술의 혁신을 이끌다

조지아 공대 연구진이 놀라운 성과를 달성했다. 다리가 없는데도 5인치(약 12.7cm) 크기의 유연한 로봇이 공중으로 10피트(약 3m) 높이까지 날아올라 농구 골대 높이에 도달한 것이다. 이 설계는 눈에 띄지 않는 선충(nematode)에서 영감을 얻었다. 머리카락보다 가는 이 미세한 선형동물은 몸길이의 수 배를 뛰어넘는 것으로 유명하다.

이 벌레는 몸을 꽉 조여 탄성 에너지를 저장한 뒤, 갑자기 이를 방출해 곡예사처럼 하늘로 또는 뒤로 날아오른다. 연구진은 탄성 실리콘 막대에 강성 탄소섬유 척추를 보강한 '소프트JM(SoftJM)' 로봇으로 이 동작을 재현했다. 로봇은 구부러지는 방식을 달리해 바퀴나 다리 없이도 전진 또는 후진 점프가 가능하다.

실제 작동 시 이 생체 모방 로봇은 출발 블록에 선 단거리 주자처럼 몸을 감았다가 폭발적으로 펴며 점프한다. 고속 촬영 영상은 벌레가 머리를 위로 굽히고 몸통을 꼬아 뒤로 점프한 뒤, 꼬리를 펴고 꼬아 앞으로 도약하는 방식을 보여준다.

조지아 공대 연구팀은 호스나 케이블에서는 일반적으로 문제가 되는 이러한 급격한 굴곡이 벌레와 로봇 모두에게 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 한다는 사실을 발견했습니다. 한 연구원이 설명했듯이, 꼬인 빨대는 쓸모없지만, 꼬인 벌레는 장전된 스프링처럼 작동합니다. 실험실에서 이 소프트 로봇은 이 메커니즘을 성공적으로 재현했습니다: 몸통 중간이나 꼬리를 꼬집어 긴장을 고조시킨 후, 약 0.1밀리초 동안 폭발적으로 풀어 공중으로 날아오릅니다.

부상하는 소프트 로봇

소프트 로봇공학은 비교적 새롭지만 빠르게 성장하는 분야로, 종종 자연에서 영감을 얻습니다. 경직된 금속 기계와 달리, 소프트 로봇은 환경에 따라 압축, 신축, 적응이 가능한 유연한 재료로 제작됩니다. 선구적인 연구로는 하버드의 옥토봇(Octobot)이 있다. 이는 문어의 근육 구조에서 영감을 받아 완전히 실리콘과 유체 채널로만 제작된 완전 자율 로봇으로, 경직된 부품이 전혀 없다. 이후 엔지니어들은 벌레 모양 크롤러와 젤라틴 그립퍼부터 착용형 외골격 슈트, 덩굴식 롤러에 이르기까지 다양한 소프트 머신을 개발해왔다.

예를 들어 예일대 연구진은 거북이를 모방한 소프트 로봇을 설계했는데, 이 로봇의 사지는 유연한 지느러미와 딱딱한 '육상 다리' 사이를 전환하며 수영이나 보행이 가능합니다. UC 산타바바라에서는 빛에 민감한 '피부'만으로 빛을 향해 자라는 덩굴식 로봇을 개발했는데, 식물 줄기처럼 좁은 공간을 통과하며 스스로를 확장합니다. 이러한 생체 모방 혁신들은 유연한 재료가 어떻게 완전히 새로운 형태의 움직임을 가능하게 하는지 보여줍니다.

지지자들은 소프트 로봇이 기존 로봇이 접근할 수 없는 환경에 진입할 수 있다고 주장합니다. 미국 국립과학재단(NSF)은 적응형 소프트 기계가 인체 내부 등 "기존에는 접근 불가능했던 공간을 탐사한다"고 강조합니다. 일부는 위장이나 그립을 위해 강성이나 색상을 변경하는 프로그래밍 가능한 '피부'를 갖추고 있습니다. 엔지니어들은 또한 오리가미/키리가미 및 형상 기억 폴리머 같은 기술을 연구하여 로봇이 실시간으로 스스로 재구성할 수 있도록 하고 있습니다.

유연한 동작 구현

동물처럼 움직이는 소프트 로봇을 설계하는 것은 상당한 도전 과제다. 경직된 관절이나 기존 모터가 없기 때문에 엔지니어들은 재료 특성과 지능형 기하학에 의존해야 한다. 예를 들어 조지아 공대의 점프 로봇은 충분한 탄성력을 생성하기 위해 고무 같은 몸체 내부에 탄소 섬유 척추를 필요로 했다. 센서와 제어 시스템을 통합하는 것도 복잡하다. 펜실베이니아 주립대 엔지니어들이 지적했듯이, 기존의 경직된 전자 장치는 소프트 로봇을 움직이지 못하게 할 것이다.

작은 크롤링 구조 로봇을 '지능형'으로 만들기 위해, 연구진은 유연성을 유지하기 위해 신체를 가로지르는 유연한 회로를 세심하게 배치했습니다. 전원 공급 역시 과제입니다: 무거운 배터리를 휴대하면 움직임이 방해받기 때문에 일부 소프트 로봇은 외부 자기장이나 가압 공기를 사용합니다.

조지아 공대(Georgia Tech)의 선충에서 영감을 받은 유연한 로봇 (사진: 캔들러 홉스)

또 다른 난관은 올바른 물리학을 활용하는 것이다. 선형충 로봇 연구팀은 꼬임이 유익하다는 사실을 발견했다. 일반 고무관에서는 꼬임이 흐름을 차단하지만, 벌레 같은 연체 로봇의 몸에서는 내부 압력이 점차 증가하여 풀리기 전까지 더 크게 휘어질 수 있게 한다. 물 채운 풍선 모델을 이용한 시뮬레이션과 실험을 통해 연구진은 유연한 설계가 구부러질 때 상당한 탄성 에너지를 저장하고 이를 급속한 점프로 방출할 수 있음을 입증했다. 그 결과는 놀라웠다: 정지 상태에서 로봇은 단순히 척추를 구부리는 것만으로 10피트 높이를 반복적으로 점프할 수 있었다. 탄성 재료 내 에너지 저장 및 방출에 대한 이러한 돌파구는 소프트 로봇 공학의 상징이다.

현실 세계의 점프형 보조 로봇

이러한 소프트 로봇의 실용적 응용 분야는 무엇일까? 이론적으로 이들은 경직된 기계가 접근하기에 너무 위험하거나 협소한 환경에서 작동할 수 있다. 예를 들어 재난 현장에서는 소프트 로봇이 잔해 아래로 기어 들어가거나 붕괴된 구조물 안으로 들어가 생존자를 찾을 수 있다. 펜실베이니아 주립대는 좁은 잔해 공간은 물론 혈관 크기의 통로까지 탐색할 수 있는 자기 제어식 소프트 크롤러 프로토타입을 시연했다.

의학 분야에서는 미세 소프트 로봇이 체내 직접 약물 전달이 가능하다. MIT 연구진은 실처럼 가는 소프트 로봇이 동맥을 따라 이동해 혈전을 제거함으로써 침습적 수술 없이 뇌졸중을 치료할 수 있을 것으로 전망했다. 하버드 연구진은 또한 경량 팽창식 슬리브 형태의 소프트 웨어러블 외골격을 개발 중인데, 이는 ALS 환자가 어깨를 들어올리는 데 도움을 주어 즉시 운동 범위를 개선했다.

우주 기관들도 소프트 점프 로봇에 관심을 보이고 있다. 바퀴는 모래나 바위에서 움직임이 둔해질 수 있지만, 점프 로봇은 크레이터와 모래 언덕을 뛰어넘을 수 있다. NASA는 달과 얼음 위성들을 위한 새로운 점프 로봇을 구상 중이다. 축구공 크기의 '스패로우(SPARROW)'라는 로봇은 증발된 얼음에서 나오는 증기 분사를 이용해 유로파나 엔셀라두스 표면을 수 마일씩 점프하며 이동할 것이다. 이 위성들의 낮은 중력에서는 작은 점프가 거대한 거리를 이동합니다. 지구에서 1미터 점프가 엔셀라두스에서는 로봇을 100미터나 추진할 수 있습니다. 바퀴 달린 탐사차가 갇힐 수 있는 외계 지형을 "완전한 자유로움"으로 가로지르는 점프 로봇 군단의 비전이 제시되고 있습니다. 지구에서는 미래의 소프트 점퍼들이 강, 진흙, 불안정한 지면 등 기존 로봇이 멈출 수밖에 없는 지형을 뛰어넘어 수색 및 구조 임무를 지원할 수 있을 것입니다.

소프트 로봇은 산업과 농업 분야에서도 역할을 찾고 있다. 미국 국립과학재단(NSF)은 이들이 사람과 접촉 시 유연하게 반응하기 때문에 공장 현장과 농장에서 안전한 협업 보조 장치로 활용될 잠재력이 있다고 지적한다. 연구진은 심지어 과일을 멍들게 하지 않고 부드럽게 수확하는 소프트 그리퍼까지 개발했다. 이러한 기계의 본질적인 유연성은 경직된 장치들이 접근하기 어려운 좁거나 유연한 공간에서도 작동을 가능하게 한다.

전문가들은 궁극적으로 소프트 로봇 기술이 수많은 분야를 혁신할 것이라고 전망합니다. 지렁이에서 착용형 슈트, 달 탐사 홉퍼에 이르기까지, 이 연구 분야는 작은 생명체 연구가 어떻게 기술의 거대한 도약으로 이어질 수 있는지 보여줍니다.