▲ 센싱 구조를 통합한 격자 구조 재료(사진=MIT)

MIT 컴퓨터과학·인공지능연구소(CSAIL) 연구팀이 자신의 움직임을 감지할 수 있는 프로그래밍 가능한 재료를 개발했다고 MIT 뉴스가 지난 10일(현지 시각) 보도했다.

이 기술은 재료들이 어떻게 움직이고, 환경과 상호작용하는지를 감지할 수 있다. 연구진은 3D 프린터를 사용해 단 하나의 재료와 단 한 번의 실행으로 이같은 센싱 구조를 만들 수 있다고 밝혔다.

이 기술은 자신들의 자세와 동작을 이해할 수 있는 내장 센서를 가진, 유연한 소프트 로봇을 만드는 데 사용될 수 있다. 또한 사람이 어떻게 움직이고 주변 환경과 상호 작용하는지에 대한 피드백을 제공하는 웨어러블 스마트 기기를 생산하는 데도 사용될 수 있다.

연구팀은 이번에 공기가 채워진 채널들의 네트워크로 이뤄진 격자 재료를 만들었다. 격자 재료가 움직이거나 구부러지면 발생하는 채널 내의 공기압의 변화를 측정할 수 있도록 했다. 연구팀이 개발한 격자 구조는 일종의 건축 재료로, 재료에서 형상의 기하학적 구조가 변경되면 강성 등 기계적 특성에 변화가 생긴다. 격자 형태는 구조를 구성하는 셀(cell)의 네트워크가 촘촘해질수록 더욱 단단해진다.

CSAIL 연구팀은 디지털 광 처리 3D프린팅 기술을 활용해 공기로 채워진 채널을 격자 구조의 재료와 통합했다. 연구진은 레진(resin)의 풀(pool)에서 구조를 끌어내고 투사된 빛을 이용해 정확한 모양으로 경화시켰다. 이렇게 만들어진 구조가 움직이거나 압착될 때, 3D 프린팅에 의해 형성된 채널들이 변형되어 내부의 공기 부피가 변화하게 된다.

연구팀은 기존의 압력 센서를 사용해 압력의 변화를 측정하고 재료가 어떻게 변형되는지 피드백을 받았다. CSAIL 팀은 ‘HSA(handed shearing auxetics)’라고 불리는 전동 소프트 로봇용으로 개발된 재료에 센서 네트워크를 구축했다. HSA는 꼬이거나 늘어날 수 있어 소프트 로봇 액추에이터에 적합하다. 연구진은 굽힘, 비틀림, 늘어남 등 여러 움직임이 가능한 HSA 소프트 로봇을 3D 프린팅했다. 이 같은 '유체 센서(fluidic sensors)'는 재료에 통합되어 있기 때문에 기존의 센서 재료보다 이점을 제공한다.

연구팀은 HSA 재료를 18시간 이상 일련의 동작을 통해 실행했고, 그들이 수집한 센서 데이터를 사용해 로봇의 동작을 정확하게 예측하기 위해 신경망을 훈련시켰다.

연구팀은 앞으로 이 기술이 내장된 센서를 가진 유연한 소프트 로봇을 만드는 데 사용될 수 있기를 기대하고 있다. 또 사용자가 환경을 이동하거나 상호 작용하는 방식에 대한 피드백을 제공하는 웨어러블 기기를 만드는 데 이 기술이 사용될 수 있을 것으로 보고 있다.

연구팀은 이번 연구 성과를 전문 저널인 '사이언스 어드벤시스(Science Advances)'에 발표했다.