^*텐세그리티 구조(tensegrity structure): 장력(팽팽하게 당기는 힘)을 가하는 그물 구조의 구성부품(텐던, tendon, 인장재)과 내부에 장력으로 인한 압축을 견디는 구성부품(스트룻, strut, 압축재)들이 서로 떨어진 채로 끼워져 있는 구조이다. 인장재과 압축재의 장력과 압력간 힘의 평형으로 안정된 구조를 이룬다. 압축재들이 가느다란 인장재에 매달려있어 공중에 떠있는 것 같은 느낌을 주는 구조다.

^*상향식(bottom-up) 제조 방식: 작은 크기의 기본 단위체를 쌓고, 붙이고, 연결하는 등의 방식으로 점차 원하는 형상의 결과물을 만들어나가는 제조방식. 3D 프린팅이 대표적이다.

^*하향식(top-down) 제조방식: 큰 덩어리를 자르고, 깎고, 떼어내는 등의 방식으로 점차 원하는 형상의 결과물을 만들어나가는 제조방식. CNC선반 등을 이용한 제조법 등이 포함된다.

^*스마트 자성 소재: 스마트 소재는 외부자극에 의해 ‘스스로’ 반응하는 소재다. 스마트 자성 소재는 외부 자기장(자석)에 반응해 움직일 수 있다.

^*메타구조(mechnical matamaterial): 구조를 이루는 물질과 다른 특성을 갖는 인공 복합물. 흔히 자연 발생된 물질에서 발견되지 않는 특성을 갖도록 설계된 인공 복합물을 가리킨다. 대부분의 물질은 밀가루 반죽처럼 위에서 누르게 되면 옆으로 늘어나는 성질이 있는데 메타 구조를 이용해 오히려 위에서 누르고 측면 부피가 줄어드는 물질(음의 푸아송비)을 만들 수 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

로봇은 산업 현장을 넘어 서비스, 군사 그리고 의료분야까지 널리 사용되고 있다. 종래의 로봇은 단단한 몸체를 연결한 관절부에 모터 등의 구동장치를 설치하여 움직이는 방식이었다. 이러한 방식의 로봇은 강한 힘을 낼 수 있지만 움직임에 동적 자유도가 낮고, 단단한 몸체로 인하여 사람과의 동시작업을 수행함에 있어 안전성에 문제가 있다. 이에 반하여 소프트 로봇은 부드러운 몸체를 이용하여 제작되어 무척 높은 동적 자유도를 가지며 인체와의 충돌에서 인체에 가해지는 피해가 작고, 물질 단위에서 주위의 환경을 인식하여 스스로 반응하는 스마트 소재의 접목 용이하다는 등의 이점을 가진다. 그러나 지금까지 연구·개발된 소프트 로봇의 성능은 대부분 로봇을 이루고 있는 소재 자체의 특성에서 파생되기 때문에, 복잡한 시스템의 구현이나 다양한 기능성을 만들어 내기에는 어려움이 있었다. 따라서 이러한 소프트 로봇의 잠재력을 완전히 이용하기 위해서는, 다중 재료를 이용하여 3D 구조체를 제작하는 새로운 설계 방식과 더불어, 이를 위한 단순한 제조법의 도입이 필수적이다.

2. 연구내용

본 연구팀은 다중 재료 3D 프린팅1) 방식을 이용하여 압축재(압축되는 힘을 견디는 튼튼한 재료)와 인장재(팽팽하게 늘어나는 장력을 견디는 재료)를 조립과정 없이 한꺼번에 제작할 수 있는 기술을 개발하였다. 먼저, 3D 프린터를 이용하여 압축재와 물에 녹을 수 있는 수용성 희생 틀(Sacrificial mold)2)을 프린팅 한다. 그 후 수용성 희생 틀의 내부 채널에 스마트 인장재 소재를 주입한 후 틀을 물에 녹여내면, 압축재와 인장재가 복잡하게 엮인 구조물을 얻을 수 있다. 이를 통해 텐세그리티3) 구조를 소프트 시스템에 이용 가능하게 됨으로써, 기존의 소프트 로봇들이 만들어내지 못 했던 복잡한 구조의 제작이나 복합 동적 특성의 부여가 가능해졌다.

텐세그리티 구조는 매우 가볍고, 외부 충격을 흡수함에도 튼튼하며, 구조 손상 없이도 무척 큰 변형을 할 수 있다. 이런 장점들에도 불구하고, 텐세그리티 구조의 복잡한 형태 때문에 건축이나 가구와 같은 큰 크기의 구조물을 제작하거나 수학적 분석이나 시뮬레이션 연구에 국한되었다. 그러나 본 연구에서 개발한 다중 재료 3D 프린팅 방식을 이용하면 직접 조립을 해야만 하는 비효율적인 기존의 텐세그리티 구조 제작 방식을 탈피할 수 있기 때문에, 복잡한 텐세그리티 구조의 일체형 제작이 가능하다. 또한, 프린팅에 사용되는 물질에 따라 구조의 물성을 다양하게 조절할 수 있으며, 본 연구에서는 그 일례로 자기 반응성(magnetic responsive)을 가진 스마트 소재4)를 텐세그리티 구조에 접목하여 다양한 기능성을 가지는 소프트 로봇을 제작하였다.

뿐만 아니라 텐세그리티 구조의 형태와 기계적 물성을 자유롭게 디자인할 수 있는 설계 기법을 고안하였다. 다양한 텐세그리티 구조의 유닛 모듈을 선정하고 유닛 간의 연결 각도, 연결도, 연결 중첩도 등을 달리하여 쌓는 방식이다. 본 기법을 활용하면 텐세그리티 구조를 이루는 재료의 특성과 관계없이, 구조의 형태와 기계적 물성을 서로 독립적으로 자유롭게 디자인할 수 있다. 예를 들어, 같은 원기둥 형의 텐세그리티 구조라도 연결 방식에 따라 서로 다른 기계적 특징을 가진다. 나아가, 소재만으로는 구현할 수 없고 자연계에서는 존재하지 않는 독특한 기계적 물성들 (회전형 인장 및 수축, 양의 푸아송 비, 큰 전단변형 등)을 가진 구조들을 제작하였다.

특히 이러한 점을 이용하여 제작된 텐세그리티 로봇들은 기존의 텐세그리티 구조의 특성을 그대로 유지할 뿐만 아니라, 지능형 소재와 구조적 설계 요소의 접목하여 프로그래밍한 동적 특성을 이용하여 독특한 움직임을 만들어 내었다. 대표적으로, 본 연구에서는 텐세그리티 구조로 이루어진 5개의 다리를 가진 불가사리 로봇을 개발하였다. 기존의 불가사리 로봇들이 단순한 굽힘과 펼침 두 단계의 단순 반복을 통해 움직인다. 그러나 텐세그리티 구조를 이용한 로봇은 이들과 다르게, 다리의 4가지 동작(굽힘, 수축, 펼침, 팽창)을 조합한 복합 동작의 반복을 통해 걸을 수 있고, 움직이는 방향도 바꿀 수 있다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발한 다중 물질 3D 프린팅을 이용한 희생 틀 제작 기술은, 기존의 방식으로 제작이 어려웠던 복잡한 구조의 다중 물질 복합체 및 로봇의 제작에 특화된 제조법이다. 더하여, 이를 통해 제작한 텐세그리티 구조 및 로봇을 이용한 구조 연구를 통해 만들어진 데이터는, 차후 다양한 분야에서 필요로 하는 특정한 형태나 기능을 가진 맞춤형 3D 유연 로봇을 디자인하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1. 다중 재료 3D 프린팅

다중 재료 3D 프린팅 방식은 3D 프린터에 여러 가지 소재를 동시에 적용하여 한 층씩 구조를 쌓아가는 방식의 제작법이다. 이를 통해 스마트 소재의 도입뿐만 아니라 복잡한 형상의 구조체 제작이 가능하다. 

2. 희생 틀(Sacrificial mold)

재사용이 가능하지만 제작할 수 있는 구조의 복잡도에 한계가 있었던 기존의 주형틀과 달리, 주물의 경화 후에 특정 물질에 반응시켜 녹여내는 등의 방식으로 제거가 가능한 일회용 틀이다. 재사용은 불가능하지만 기존의 주형틀 형태로는 제작이 불가능했던 작은 크기나 복잡한 형태의 주물 제작이 가능하다는 장점이 있다. 

3. 텐세그리티(Tensegrity)

텐세그리티는 세포나 각종 생물의 골격에서 발견되는 특수한 구조체이다. 텐세그리티는 인장력을 견디는 인장재(텐던5))와 압력을 견디는 압축재(스트룻6))로 구성되는데, 보통은 막대 형태를 가진 이 두 소재가, 서로 엮여서 구조를 이룬다. 이 때 두 소재에 가해지는 인장력과 압력은 서로 균형을 이루며 특정한 형태를 만들어 낸다. 이처럼 특수한 구조의 텐세그리티는 충격 흡수율, 부피 대비 강도, 구조 유연성 등이 무척 높은 특성을 보인다. 

4. 지능형 소재

스마트 소재 또는 적응형 소재로도 불리는 지능형 소재는, 외부환경의 자극(습도, 온도, 압력, 자기장, 전기장, 빛 등)을 감지하고 판단하여, 유용하고, 신뢰성 있고, 재현 가능하고, 가역적인 방법으로 반응 및 제어하는 지능형 거동을 나타내는 소재이다.

5. 인장재 (Tendon)

텐세그리티를 이루는 요소 중 각 스트룻을 연결하는 인장성 구조체로, 그물망과 같은 네트워크 형태의 외곽 구조를 이루며, 스트룻이 구조 내부에 떠있도록 잡아주는 역할을 담당한다. 

6. 압축재 (Strut)

텐세그리티를 이루는 요소 중 서로 연결되지 않고 텐던에 메달려 있는 구조체로, 텐던의 인장력으로 인한 구조 수축으로 발생하는 압력을 견디는 역할을 담당한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 텐세그리티 구조(tensegrity structure)의 제작. 다중 재료 3D 프린팅으로 희생 틀을 프린트 한 후, 지능형 소재를 내부에 주입함. 지능형 소재의 경화 후에 물을 이용하여 희생 틀을 제거하면 일체형으로 만들어진 텐세그리티 구조를 얻을 수 있음

그림 2. 불가사리 로봇의 형태와 거동. (A) 불가사리 로봇과 그 다리를 이루는 텐세그리티 구조. (B) 불가사리 로봇의 다리가 만들어내는 3가지 동적 상태. (C) 불가사리 로봇의 방향 전환 거동. (D) 불가사리 로봇의 거동 순서를 나타낸 3D 이미지, 상면사진, 측면사진.

그림 3. 초격자 텐세그리티. (A) 정이십면체 구조의 텐세그리티 유닛들을 서로 연결하여 만든 초격자 텐세그리티 사진과 그 구성 요소(텐던 및 스트룻)의 3D 이미지. (B) 초격자 텐세그리티를 이루는 정이십면체 구조의 텐세그리티 유닛의 구조 및 연결 구조. (C) 외부 응력의 종류에 따라 서로 다르게 나타나는 초격자 텐세그리티의 구조 변형.