美 하버드대, 지정한 형태로 소프트 로봇 만들 수 있는 3D 프린팅 기술 개발

美 하버드대 연구팀이 3D 프린팅 기술을 활용해, 미리 지정한 형태로 모양을 변형시킬 수 있는 소프트 로봇 제작 기술을 개발했다.

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하버드대 공학응용과학대학(SEAS)의 제니퍼 루이스 교수팀은 속이 비어 있는 채널이 있는 긴 필라멘트 형태의 소프트 로봇 장치를 3D 프린팅하는 제조 기술을 개발했다고 밝혔다. 빈 채널에 공기가 채워지면 장치가 미리 결정된 방식으로 구부러지고 변형된다.

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이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다. (논문 제목:Rotational Multimaterial 3D Printing of Soft Robotic Matter With Embedded Asymmetrical Pneumatics)

연구팀에 따르면, 유연하고 생체 적합성이 있는 소재로 만든 소프트 로봇은 의료부터 제조업까지 다양한 산업에서 활용될수 있지만, 특정한 목적을 위해 이러한 소프트 로봇을 정밀하게 설계하고 제어하는 것은 도전적 과제로 인식되고 있다.

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이번 연구는 하버드대에서 개발한 여러 3D 프린팅 기술을 활용했으며, 소프트 로봇을 만드는 데 일반적으로 사용되는 기존의 주조 및 몰드 방식을 우회한다. 연구팀은 "우리 기술은 단일 출구에서 두 가지 재료를 사용하며, 이를 회전시켜 팽창 시 로봇이 구부러지는 방향을 프로그래밍할 수 있다"며 "우리의 목표는 다양한 응용 분야를 위한 부드럽고 생체 영감을 받은 로봇을 만드는 것과 일치한다"고 말했다.

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이 새로운 접근법은 '회전 다중 소재 3D 프린팅(Rotational Multimaterial 3D Printing)' 기술을 기반으로 개발됐다. 이 기술은 하나의 노즐로 둘 이상의 재료를 동시에 프린팅할 수 있다. 기계가 회전하고 방향을 재조정하면서 맞춤형 패턴으로 잉크를 압출한다. 연구팀은 이러한 유형의 3D 프린팅을 사용해 인공 근육 역할을 하는 부드러운 나선형 구조와 물체들을 제작하는데 성공했다.

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연구팀은 폴리우레탄 외부 껍질과 헤어 젤에서 흔히 발견되는 폴리머로 만든 내부 채널로 이뤄진 필라멘트를 만들었다. 필라멘트는 선형으로 배열될 수 있으며 평평한 패턴과 융기된 패턴 모두로 배열 가능하다. 프린터 노즐의 설계, 회전 속도, 재료 흐름 속도를 정밀하게 제어함으로써 각 내부 채널의 방향, 형태, 크기를 프로그래밍할 수 있다. 그 결과 속이 빈 채널이 있는 관형 구조가 만들어졌고, 이를 가압하면 다양한 방향으로 구부러지며 팽창, 수축, 파지하는 소프트 장치가 만들어진다.

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연구팀은 이번 연구가 복잡한 장치의 간단한 제작을 위한 새로운 길을 열어줬다고 밝혔다. 소프트 로봇을 만드는 기존 방법은 일반적으로 몰드에 부드러운 재료를 주조하고, 표면에 공압 채널을 패터닝하고, 채널을 다른 층으로 캡슐화한다. 연구팀은 "우리 기술은 몰드가 없지만, 구조를 프린팅하고 빠르게 프로그래밍하며 작동을 신속하게 맞춤 제작할 수 있다"고 말했다.

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연구팀은 꽃 패턴을 나선형으로 제작하는 기술, 구부러지는 관절을 갖춘 5개 손가락 의 손잡이도 3D 프린팅 방식으로 제작하고 시연했다.

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백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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