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한성근 학생 (지도교수: 황석원), 무선ㆍ다기능 전자 시스템 통합 소프트 로봇 개발
2025.03.13 Views 375
무선ㆍ다기능 전자 시스템 통합 소프트 로봇
한성근 박사과정 (황석원 교수) 연구결과, Nano-Micro Letters 논문 게재
한성근 박사과정 (황석원 교수) 연구결과, Nano-Micro Letters 논문 게재
▲왼쪽부터 한성근 학생, 신정웅 박사, 이중훈 박사, 황석원 교수 (교신저자)
고려대학교 (총장 김동원) KU-KIST 융합대학원/융합에너지공학과 황석원 교수 연구팀은 다양한 모드의 움직임을 가역적으로 프로그래밍 할 수 있는 자기 소프트 로봇(magnetic soft robot)을 개발하고, 주변 환경을 실시간으로 모니터링하며 상황에 맞게 대응할 수 있는 다기능 전자 시스템의 통합을 성공적으로 달성했다. 이번 연구 성과는 차세대 소프트 로봇 기술 발전의 중요한 전환점이 될 뿐만 아니라 환경 모니터링, 의료 임플란트 등 다양한 분야에서 혁신적인 역할을 할 것으로 기대된다.
□ 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘Nano-Micro Letters (IF=31.6)’지에 02월 17일 온라인 게재되었다.
* 논문명 : Wireless, Multifunctional System-Integrated Programmable Soft Robot
* 저널명 : Nano-Micro Letters (Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025); https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3)
□ 소프트 로봇(soft robot)은 기존 강체(rigid body)로 이루어진 로봇과 달리 유연/신축(soft/stretchable)한 소재의 특성을 활용하여 다양한 임무를 수행하도록 설계된 로봇을 의미한다. 이러한 소프트 로봇의 액추에이션(actuation)을 구현하기 위해 공압식/유압식(pneumatic/hydraulic) 방식이 널리 사용되고 있지만, 외부 시스템에 의존해야 하는 한계로 인해 완전히 자유로운 이동이 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 자극 응답성 고분자(stimuli-responsive polymer)를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재까지는 제한적인 형태 변화나 단순 반복적인 움직임 구현에 머물러 있다.
□ 이번 연구에서 개발한 자기 복합소재(magnetic composite)는 강자성체(ferromagnetic) 입자를 대두(soybean) 왁스로 코팅하여 45 °C의 낮은 온도에서 다양한 모드(mode)의 움직임(locomotion)을 가역적으로 프로그래밍(programming)할 수 있는 능력을 갖춘 것이 특징이다. 이를 통해 높은 열에너지를 사용하지 않고도 로봇의 프로그래밍이 가능해졌으며, 열적 손상도 방지할 수 있었다. 또한 개발된 복합소재 기반으로 제작된 자기 소프트 로봇은 실험 및 이론적 분석을 통해 다양한 기계적 변형을 견딜 수 있음이 확인되었으며, 자유로운 형태 변화(shape morphing)와 이동(movement)이 가능함을 입증했다.
□ 기존의 유연 전자(soft electronics) 시스템은 소프트 로봇의 움직임을 저해하거나 기능에 제약을 주는 경우가 많았다. 본 연구에서 최적화 설계된 박막형 무선 전자 시스템을 자기 소프트 로봇의 구조에 정교하게 결합함으로써, 변형 및 이동성을 저해하지 않는 시스템 통합형 자기 소프트 로봇을 개발하였다. 결합된 통합 전자 시스템은 무선으로 전력을 공급받아 온도, 빛, 변형, 자이로센서 등 다양한 센서(sensor)를 작동시키며, 열과 빛을 활용한 자극(stimulation) 기능도 수행할 수 있었다. 또한, 실시간으로 측정된 데이터를 무선으로 전송할 수 있어 로봇의 안정적인 액추에이션과 다채로운 전기적 기능(electrical function) 수행 능력을 입증했다. 이를 통해 소프트 로봇의 구동 안정성을 높이고, 다양한 임무 수행을 위한 기능 확장 가능성을 더욱 넓힐 수 있는 중요한 기술적 초석을 마련하였다.
□ 최종적으로 연구진은 인공적으로 제작된 장애물 코스를 활용하여, 개발된 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 임무 수행 능력을 실험적으로 검증했다. 로봇은 다양한 형태의 장애물을 효과적으로 탐색하며, 무선 전력 전송을 통해 실시간으로 전기적 기능을 안정적으로 수행하였다. 이러한 기술적 진보는 기존 소프트 로봇의 기능을 확장하는 데 기여할 뿐만 아니라. 무독성 소재를 활용한 환경 모니터링, 의료 임플란트 등의 새로운 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.
□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구 성과는 소프트 로봇의 기존 한계를 뛰어넘어 기능적 확장을 이루었으며, 환경 모니터링, 웨어러블 디바이스 및 의료용 임플란트 등 다양한 응용 분야에서 활용될 가능성을 보여준다고 밝혔다. 특히, 소형화 및 고도화된 차세대 소프트 로봇 시스템 개발을 위한 중요한 기술적 초석이 될 것”이라고 기대했다.
□ 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업 및 전자약 기술개발사업, 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업 및 실험실 특화형 창업선도대학 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘Nano-Micro Letters (IF=31.6)’지에 02월 17일 온라인 게재되었다.
* 논문명 : Wireless, Multifunctional System-Integrated Programmable Soft Robot
* 저널명 : Nano-Micro Letters (Nano-Micro Lett. 17, 152 (2025); https://doi.org/10.1007/s40820-024-01601-3)
□ 소프트 로봇(soft robot)은 기존 강체(rigid body)로 이루어진 로봇과 달리 유연/신축(soft/stretchable)한 소재의 특성을 활용하여 다양한 임무를 수행하도록 설계된 로봇을 의미한다. 이러한 소프트 로봇의 액추에이션(actuation)을 구현하기 위해 공압식/유압식(pneumatic/hydraulic) 방식이 널리 사용되고 있지만, 외부 시스템에 의존해야 하는 한계로 인해 완전히 자유로운 이동이 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 자극 응답성 고분자(stimuli-responsive polymer)를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재까지는 제한적인 형태 변화나 단순 반복적인 움직임 구현에 머물러 있다.
□ 이번 연구에서 개발한 자기 복합소재(magnetic composite)는 강자성체(ferromagnetic) 입자를 대두(soybean) 왁스로 코팅하여 45 °C의 낮은 온도에서 다양한 모드(mode)의 움직임(locomotion)을 가역적으로 프로그래밍(programming)할 수 있는 능력을 갖춘 것이 특징이다. 이를 통해 높은 열에너지를 사용하지 않고도 로봇의 프로그래밍이 가능해졌으며, 열적 손상도 방지할 수 있었다. 또한 개발된 복합소재 기반으로 제작된 자기 소프트 로봇은 실험 및 이론적 분석을 통해 다양한 기계적 변형을 견딜 수 있음이 확인되었으며, 자유로운 형태 변화(shape morphing)와 이동(movement)이 가능함을 입증했다.
□ 기존의 유연 전자(soft electronics) 시스템은 소프트 로봇의 움직임을 저해하거나 기능에 제약을 주는 경우가 많았다. 본 연구에서 최적화 설계된 박막형 무선 전자 시스템을 자기 소프트 로봇의 구조에 정교하게 결합함으로써, 변형 및 이동성을 저해하지 않는 시스템 통합형 자기 소프트 로봇을 개발하였다. 결합된 통합 전자 시스템은 무선으로 전력을 공급받아 온도, 빛, 변형, 자이로센서 등 다양한 센서(sensor)를 작동시키며, 열과 빛을 활용한 자극(stimulation) 기능도 수행할 수 있었다. 또한, 실시간으로 측정된 데이터를 무선으로 전송할 수 있어 로봇의 안정적인 액추에이션과 다채로운 전기적 기능(electrical function) 수행 능력을 입증했다. 이를 통해 소프트 로봇의 구동 안정성을 높이고, 다양한 임무 수행을 위한 기능 확장 가능성을 더욱 넓힐 수 있는 중요한 기술적 초석을 마련하였다.
□ 최종적으로 연구진은 인공적으로 제작된 장애물 코스를 활용하여, 개발된 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 임무 수행 능력을 실험적으로 검증했다. 로봇은 다양한 형태의 장애물을 효과적으로 탐색하며, 무선 전력 전송을 통해 실시간으로 전기적 기능을 안정적으로 수행하였다. 이러한 기술적 진보는 기존 소프트 로봇의 기능을 확장하는 데 기여할 뿐만 아니라. 무독성 소재를 활용한 환경 모니터링, 의료 임플란트 등의 새로운 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.
□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구 성과는 소프트 로봇의 기존 한계를 뛰어넘어 기능적 확장을 이루었으며, 환경 모니터링, 웨어러블 디바이스 및 의료용 임플란트 등 다양한 응용 분야에서 활용될 가능성을 보여준다고 밝혔다. 특히, 소형화 및 고도화된 차세대 소프트 로봇 시스템 개발을 위한 중요한 기술적 초석이 될 것”이라고 기대했다.
□ 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업 및 전자약 기술개발사업, 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업 및 실험실 특화형 창업선도대학 사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림1. a 무선 다기능 전자 장치를 갖춘 통합형 자기 소프트 로봇의 개략도. b 통합형 자기 소프트 로봇 시스템의 분해도.
c 통합형 자기 소프트 로봇의 이미지. d 전체 전자 시스템의 블록 다이어그램.
b 대두 왁스와 NdFeB 입자의 혼합비에 따른 거동. c 자기 소프트 로봇의 자기적 특성.
d NdFeB 및 다른 고분자가 코팅된 자기 입자와 WcMPs의 자기화 온도 비교. e WcMPs의 함량에 따른 소프트 로봇의 기계적 성질.
f WcMPs의 함량 및 소프트 로봇의 두께에 따른 자체 자기장 강도. g WcMPs 함량에 따른 자기 소프트 로봇의 구동 성능 평가.
h 외부 자기장에 의해 유도된 자기 소프트 로봇의 가역적인 다양한 모드의 형태 변형 능력. i 복잡한 구조로 변형된 자기 소프트 로봇의 형태 복구 능력.
그림3. a 다양한 전자 기능과 다채로운 모드의 이동을 구현할 수 있는 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 개략도.
b,c 통합된 전자 시스템의 레이아웃에 따른 자기 소프트 로봇의 크롤링 성능 비교 (b) 및 변형 거동 평가 (c).
d 외부 자기장 변화에 따른 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 크롤링 운동. e 외부 자기장 변화에 따른 이동 거리 및 굽힘 반경 변화.
f 외부 자기장 모드에 따른 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 접힘 및 롤링 운동. g 외부 자기장의 주파수 조절에 따른 로봇의 롤링 속도.
h 다양한 자기장 모드를 활용한 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 회전 및 방향 전환 운동.
i 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 크롤링 운동 시 발생하는 변형 분포 분석.
j 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 접힘 운동 시 발생하는 변형 분포 분석.
b,c 통합된 전자 시스템의 레이아웃에 따른 자기 소프트 로봇의 크롤링 성능 비교 (b) 및 변형 거동 평가 (c).
d 외부 자기장 변화에 따른 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 크롤링 운동. e 외부 자기장 변화에 따른 이동 거리 및 굽힘 반경 변화.
f 외부 자기장 모드에 따른 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 접힘 및 롤링 운동. g 외부 자기장의 주파수 조절에 따른 로봇의 롤링 속도.
h 다양한 자기장 모드를 활용한 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 회전 및 방향 전환 운동.
i 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 크롤링 운동 시 발생하는 변형 분포 분석.
j 시스템 통합형 자기 소프트 로봇의 접힘 운동 시 발생하는 변형 분포 분석.
