선정윤 회원 (서울대) 연구팀, 자연 모사를 통한 거미줄 로봇 개발

▲ 서울대 재료공학부 선정윤 교수

우리 학회 회원인 서울대학교 재료공학부 선정윤 교수 연구팀은 거미줄의 특성인 신축성과 관성력에 주목한 거미줄 로봇을 개발했다. 개발된 거미줄 로봇은 거미줄과 같이 물체의 포획과 감지, 오염물 제거에 효과적이다. 이번 연구로 자연 모사를 통해 소프트 로봇 시스템을 디자인하는 방법론이 제시되며, 소프트 로봇 연구가 한 단계 더 도약할 수 있는 발판이 마련됐다.
 
부드러운 소재의 소프트 로봇은 높은 자유도와 적응성을 바탕으로 기존의 단단한 로봇이 적용되기 어려운 분야에 활약할 것으로 최근 각광받고 있다. 소프트 로봇이 잠재력을 온전히 발휘하기 위해서는 몸체의 소프트한 특성을 유지하면서 로봇 내 다양한 구성요소들이 상호보완적으로 작용할 수 있는 시스템화가 뒷받침되어야 한다. 자연에서는 다양한 생물들이 간단한 구조만으로도 상호보완적인 기능들을 통합적으로 구현하는 것을 목격할 수 있다. 예를 들어 정주성 거미는 점성이 있는 신축성의 거미줄을 이용하여 먹이를 포획한다. 그러나 거미줄의 강한 접착력은 오염을 유발하기 때문에 거미는 거미줄의 포획 능력을 유지하기 위해 먹이를 감지하고 오염물을 제거할 수 있는 능력을 진화시켜왔다. 
 
거미는 최소한의 거미줄을 이용해 먹이를 잠깐 포획할 수 있는 그물을 만든 뒤 기다린다. 이후 먹이가 거미줄에 걸리면서 발생한 거미줄의 진동을 감지한 거미는 탈출을 막기 위해 추가적인 거미줄을 먹이에 감는다. 즉 거미의 먹이 감지 능력은 거미가 최소한의 거미줄만으로 그물을 칠 수 있게 해주며, 이를 통해 오염되는 거미줄의 양을 최소한으로 유지할 수 있게 해준다. 또한 거미는 새총을 쏘듯 거미줄을 잡아당겼다 놓는 방식으로 거미줄에 붙어있는 오염물들을 날려버린다. 관성력을 이용하는 것이다. 이를 통해 오염된 거미줄의 포획 능력을 원래의 상태로 회복시킬 수 있다.
 
거미의 행동학적 특성에서 영감을 받아 선정윤 교수 연구팀(제1저자: 이영훈 연구원, 송원준 연구원)은 거미의 먹이 감지 및 포획, 그리고 오염물 제거 능력을 전기적인 방식으로 모사하는 거미줄 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 신축성 전극 역할을 하는 선형의 이온 전도성 오가노젤 코어와 이를 감싸고 있는 신축성 절연체 역할의 실리콘 탄성체로 구성되어 있다. 개발된 거미줄 로봇에 직류 고전압을 인가해 주면, 로봇 주위에는 강력한 전기장이 형성되며 주변 물체의 분극을 유도하게 된다. 이렇게 분극된 물체와 로봇 사이에는 강한 정전기적 인력이 작용하기 때문에 거미줄 로봇은 금속, 폴리머, 세라믹 등 다양한 종류의 물체를 전기적으로 포획할 수 있다. 또한 개발된 거미줄 로봇은 모든 구성 요소가 신축성 있는 소재로 구성되어 원래 길이의 3배까지 늘어날 수 있으며, 이러한 신축성을 바탕으로 자신보다 68배 더 무거운 물체를 포획하는 데 성공하였다. 거미줄 로봇은 정전기유도 현상으로 물체 표면의 정전하로부터 나오는 전기장을 감지할 수 있다. 
 
이러한 능력은 거미줄 로봇이 물체와의 상대적인 거리를 비접촉 방식으로 감지할 수 있게 해주며, 물체가 충분히 접근했을 때만 전기 포획 기능을 작동하여 불필요한 오염물이 포획되는 것을 예방할 수 있게 해준다. 이러한 감지 능력을 바탕으로 거미줄 로봇은 감지 능력이 없는 경우와 비교해 포획력을 32.5배 높게 유지하는 데 성공하였다. 이러한 감지 능력에도 불구하고 거미줄 로봇이 오염되는 경우에는 거미줄 로봇에 교류 고전압을 인가하여 오염물을 제거할 수 있다. 인가된 교류 전압의 진동수가 로봇의 공명 진동 수와 일치하게 되면 로봇은 초당 수백 번까지 빠르게 진동하며 표면의 오염물을 관성력을 이용해 튕겨낼 수 있으며, 이러한 오염물 제거 능력을 통해 오염물에 의해 감소한 포획력을 98.7% 이상 회복하는 데 성공하였다.
 
본 연구를 통해 개발된 거미줄 로봇은 유전 탄성체로 코팅된 신축성의 유연 전극 한 쌍만으로도 물체의 포획과 감지, 그리고 오염물 제거가 가능하다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 기술들은 최근 소프트 로봇 분야에서 차세대 인공 근육과 전자 피부로 주목받고 있는 유전 탄성체 액추에이터와 축전 촉각 센서, 그리고 다양한 크기와 형태의 비정형화된 물체를 잡을 수 있는 소프트 그리퍼 등에 주요한 설계 변경 없이도 추가적인 기능성을 부여해 활용 범위를 더욱 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 본 연구는 자연 모사를 통해 다양한 상호보완적인 구성요소들을 간단한 구조로 결합시킨 소프트 로봇 시스템을 디자인하는 방법론을 제시함으로써 소프트 로봇이 한 단계 더 도약할 수 있는 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대된다.
 
▲ 거미줄 로봇의 구조
 
-출처: SNU 소식