미 남캘리포니아대(USC) 연구팀이 로봇의 변형을 추적할 수 있는 종이접기(오리가미) 기반 신축 변형 센서(Stretchable strain sensors)를 개발했다고 밝혔다.

신축 변형 센서는 웨어러블 전자장치, 보철 장치, 소프트 로봇 등 다양한 응용 분야에 필수적이다. 높은 변형 범위, 빠른 응답 속도를 가진 변형 센서는 연질체(soft body)의 동적인 변형을 정확하게 측정할 수 있다. 현재 신축 변형 센서는 대부분 변형 가능한 전도성 물질에 의존하며, 종종 신속한 측정에 어려움이 따른다.

항보 자오 USC 교수팀은 소프트 로봇 등 연질체의 신축성을 측정하는 새로운 방법을 찾기 위해 이 프로젝트를 추진했다. 최근 연구 성과는 전문 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스’ 8월 25일자로 게재됐다(논문 제목:High-stretchability and low-hysteresis strain sensors using origami-inspired 3D mesostructures).

새로 개발한 신축 변형 센서는 22mm 이하 응답시간, 5제곱미리미터 이하 작은 감지 면적, 방향성의 변형 반응을 특징으로 하며, 최대 200%의 신축성을 보여준다.

연구팀에 따르면 일반적으로 로봇의 움직임을 예측하고 제어하기 위한 중요한 지표인 신축성과 회복성은 카메라를 활용해 측정한다. 그러나 이 과정은 실험실 밖에서는 잘 작동하지 않는다. 로봇이 우주나 인체 내에서 작동할 때 여러 대의 카메라로 둘러싸여 있을 수 없기 때문이다.

또한, 신축성과 변형을 특징으로 하는 소프트 로봇은 일반적으로 고무와 같은 부드러운 소재를 사용한다. 이런 소재는 신축성이 우수하지만, 반복적으로 사용하면 소재가 비가역적인 변화를 겪는다.

연구팀은 카메라와 부드러운 재료를 사용하는 대신 종이 접기 원리를 적용한 작은 규모의 3차원 구조 설계 및 제조에 관한 기존 연구를 활용했다. 이러한 방법은 일반적인 센서보다 최대 3배 높은 변형 범위를 측정할 수 있는 센서를 만들수 있게 해준다.

USC팀은 신축과 풀어짐을 접었다 펴는 과정으로 전환하는 전극의 3차원(3D) 구조를 만들었고, 이 과정을 통해 재료 자체의 재질을 변형하지 않고도 모양을 바꿀 수 있었다. 이 전극들이 펼쳐지면서 전기장의 세기를 포착한다. 연구팀은 전기장의 판독값을 변형 측정값으로 변환하는 모델을 개발했다. 이 방법은 연질체의 크고, 동적인 변형을 측정할 때도 센서를 반복적으로 사용할 수 있고 정확한 판독값을 제공할 수 있다고 연구팀은 밝혔다.