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美 UC리버사이드, 공기압 유체밸브 램칩으로 소프트로봇 제어트랜지스터 대체···전력소모 많고 비싸고 부피 큰 전자 HW 탑재 줄여
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승인 2021.07.27  07:49:56
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▲소프트로봇 움직임 제어에 8비트 공압 램 칩이 사용됐다. (사진=UC리버사이드)

미 ‘캘리포니아 주립 리버사이드대(UC 리버사이드)’가 공기압으로 작동하는 컴퓨터 메모리를 만들어 소프트로봇의 작동을 제어하는 데 성공했다고 최근 발표했다.

UC 리버사이드 엔지니어들의 혁신은 소프트 로보틱스를 발전시키는 데 있어 가장 큰 장애물 중 하나인 공압과 전자 장치 간의 근본적 불일치를 극복한 개가로 평가된다.

공압식 소프트로봇은 압축 공기를 사용해 부드럽고 고무 같은 팔다리와 그립을 이동시킨다. 기존의 견고한 로봇보다 섬세한 작업 수행 능력에서 뛰어나다. 사람들이 이 로봇들 주변에 있어도 기존의 로봇에 비해 훨씬 더 안전하다.

대표적 공압로봇으로는 지난 2014년 디즈니 애니메이션 ‘빅히어로6’에 등장하는 건강관리 동반 로봇인 ‘베이맥스(Baymax)’가 꼽힌다.

하지만 기존의 공압식 소프트로봇 제어 시스템은 여전히 전자 밸브와 컴퓨터를 사용해 소프트로봇의 움직이는 부품 위치를 유지한다. 이 전자 부품들은 소프트로봇에 상당한 비용, 크기, 전력 수요를 더하면서 이들의 편리성을 제한한다.

이에 소프트로봇의 미래지향적 발전을 모색하던 UC리버사이드의 생명공학 박사과정 학생인 셰인 호앙, 그의 조언자인 윌리엄 그로버, 필립 브리스크 컴퓨터과학 교수, 콘스탄티노스 카리디스 기계공학 교수가 이끄는 팀이 과거 발전 과정을 살펴보고 묘수를 냈다.

‘공압 로직(논리)’은 전자 컴퓨터보다 40년이나 앞선 1900년대 초 등장해 한때 온도 조절 장치 및 기후제어 시스템 등에서 자동연주 피아노에 이르기까지 다양한 제품에서 첨단 수준의 제어를 제공했다.

공압 논리에서는 전기가 아닌 공기가 회로 또는 채널을 통과하며, 공기 압력은 온오프(ON/OFF) 또는 참/거짓으로 표시된다. 현대 컴퓨터에서 이러한 논리적 상태는 전하를 띠게 하거나 떨어지게 하면서 ‘1’과 ‘0’으로 표시된다.

공압식 소프트로봇은 움직이는 부품의 위치를 기억하고 유지하는 방법을 필요로 한다.

연구진은 소프트로봇을 위한 공압식 논리 메모리(memory)를 만들 수 있다면 현재 사용되고 있는 전자 메모리를 없앨 수 있다는 사실을 깨달았다.

연구원들은 트랜지스터 대신 마이크로 유체 밸브를 사용해 공압식 랜덤액세스메모리(램) 칩을 만들었다. 마이크로유체 밸브는 원래 마이크로유체 칩의 액체 흐름을 제어하기 위해 설계됐지만, 공기 흐름도 제어할 수 있다.

▲공압컴퓨터 메모리가 소프트로봇의 움직임 제어를 돕는다. (사진=UC리버사이드)

밸브들은 급기 라인에서 분리된 경우에도 차동압력에 대응해 실링된 상태를 유지하면서 갇힌 차동압력을 생성하며 메모리 역할을 하면서 로봇 액추에이터 상태를 유지한다.

이러한 밸브들의 고밀도 어레이는 고급 작업을 수행할 수 있으며 일반적으로 공압 로봇을 제어하는 데 사용되는 비싸고 부피가 크며 전력 소비량이 많은 전자 하드웨어를 줄일 수 있다.

연구진은 미세 유체 밸브를 개조해 더 큰 공기 흐름 비율을 감당할 수 있도록 한 뒤, 더 크고 빠르게 움직이는 소프트로봇을 제어할 수 있는 8비트 공압 램 칩을 제작해 이를 3D 프린터로 제작한 한쌍의 고무손에 통합했다.

공압 램은 대기압 공기를 사용해 ‘0’ 또는 ‘거짓(FALSE)’ 값을 나타내고, 진공은 ‘1’ 또는 ‘참(TRUE)’ 값을 나타낸다. 부드러운 로봇 손가락은 대기압에 연결되면 펴지고 진공에 연결되면 수축된다.

연구원들은 램 칩의 채널 내에서 대기압과 진공의 조합을 변화시킴으로써 로봇이 피아노로 음표, 현, 심지어는 피아노로 ‘메리는 양 한마리를 길렀네.(Mary Had a Little Lamb)’를 연주하게 할 수 있었다. (맨 아래 동영상 참조)

이론적으로 이 시스템은 어떠한 전자식 하드웨어(HW)도 없이 진공 상태를 만들기 위한 배터리 작동 펌프만으로 다른 로봇을 작동시키는 데 사용될 수 있다.

연구원들은 시스템 내 어디에도 양압이 없고(정상적인 대기압만 있을 때) 로봇이나 로봇 제어 시스템에 우발적 과압력과 과격한 고장의 위험이 없다는 점에 주목한다.

이 기술을 사용하는 로봇은 운동 장애가 있는 유아를 위한 웨어러블 장치와 같은 사람 또는 주변의 섬세한 사용에 특히 안전할 것으로 기대를 모은다.

‘소프트로봇 제어를 위한 공압식 랜덤 액세스 메모리(A pneumatic random-access memory for controlling soft robots)’라는 제목의 논문은 오픈 액세스 저널인 플로스원(PLOSOne, https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0254524)을 통해 발표됐다.

이성원  sungwonly09@gmail.com
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