손가락으로 조종하는 딱정벌레 로봇…걷고 집고 접촉까지 감지

[경제일보] 손가락을 굽혀 작은 로봇을 움직이고, 로봇이 보내오는 영상과 접촉 정보를 보며 물건을 집어 옮기는 기술이 나왔다. 딱정벌레의 움직임을 본뜬 인공근육에 카메라와 압력센서를 결합한 ‘비틀봇(BeetleBot)’이다. 걷기와 물체 집기, 감지, 사용자 제어를 한 시스템으로 연결해 소형 소프트로봇의 원격 작업 가능성을 보여줬다.

KAIST는 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(칼텍) 웨이 가오 교수팀, 싱가포르 난양공과대학교(NTU) 히로타카 사토 교수팀과 공동으로 비틀봇을 개발했다고 13일 밝혔다. 연구진은 사용자가 로봇의 카메라 영상과 센서 정보를 확인하며 장애물을 피해 목표 물체에 접근하고, 이를 집어 운반하는 작업을 시연했다.

소프트로봇은 부드럽고 변형 가능한 소재를 이용해 움직이는 로봇이다. 주변 물체와 유연하게 상호작용할 수 있지만, 움직이는 장치와 센서·제어계를 작은 몸체에 함께 넣는 데 어려움이 있다. 이번 연구는 생물의 근육과 감각, 신경계처럼 여러 기능이 맞물려 작동하는 구조를 구현하는 데 초점을 맞췄다.

출발점은 실제 딱정벌레의 다리였다. 연구팀은 근육의 배치와 관절 움직임을 분석해 로봇의 다리 구조에 반영했다. 3D 프린팅한 골격에 열을 받으면 수축하는 고분자 소재 ‘액정탄성체(LCE)’로 만든 인공근육을 결합했다.

전기로 열을 발생시키면 인공근육이 수축하며 다리를 움직인다. 어느 부위에 전기를 공급할지와 작동 순서를 조절해 전진과 방향 전환을 구현했다. 모터와 기계식 연결장치의 역할을 소재의 변형으로 수행하고, 인쇄한 유연한 회로로 각 근육을 독립적으로 제어하는 방식이다.

물체를 잡는 집게는 딱정벌레가 먹이를 붙잡는 큰턱에서 착안했다. 부드러운 집게인 ‘소프트 그리퍼’에 인공근육과 압력센서를 함께 넣어 물건을 잡는 동작과 접촉 상태 확인을 연결했다. 압력이 가해지면 센서 내부 전극 사이의 간격과 전기적 특성이 달라져 접촉 정보를 얻는다.

조종 장치는 손가락에 붙이는 신축성 센서 패치다. 손가락을 굽혀 패치가 늘어나면 내부 탄소나노튜브(CNT)의 전도 경로가 변하며 전기저항이 달라진다. 연구팀은 이 신호를 전진·좌회전·우회전·물체 집기 등 네 가지 명령으로 구분해 블루투스로 로봇에 전달했다.

사용자는 소형 카메라의 영상으로 주변을 살피고 집게의 압력 정보로 물체와의 접촉 상태를 확인한다. 그 결과를 보고 손가락으로 다음 명령을 보내는 구조다. 로봇에 명령을 보내는 과정과 로봇이 감지한 정보를 받아 판단하는 과정이 이어지는 ‘양방향 피드백’을 구현했다.

이러한 구성은 로봇이 보내는 정보를 이용해 사람이 작업을 조정하는 원격 조종에 활용될 수 있다. 연구진은 사람이 접근하기 어려운 좁은 공간 탐사와 작은 물체 회수, 산업 설비 점검 등을 향후 적용 분야로 제시했다.

실험 구성에는 실제 현장으로 옮기기 위해 개선할 요소도 드러난다. 논문에 따르면 로봇은 외부 전원공급장치에 연결해 구동했으며, 활성화된 인공근육 영역의 국소 표면온도는 100도를 넘었다. 연구진은 더 낮은 온도에서 움직이는 소재나 다른 구동 방식을 도입해 응답 속도를 높이고 열 요구량을 줄이는 방향을 후속 연구로 제시했다.

연구 결과는 지난 8월 19일 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 게재됐다. KAIST에서 박사학위를 받고 연구 당시 칼텍 박사후연구원으로 재직한 김인호 성균관대 화학과 교수가 제1저자로 참여했다. 김상욱 교수와 웨이 가오 교수는 공동 교신저자를 맡았다.

김상욱 교수는 “이번 연구는 인공근육의 움직임과 감각, 사용자 제어를 하나의 시스템으로 연결해 소프트로봇의 활용 가능성을 넓힌 성과”라고 말했다. 연구진은 구동 속도와 에너지 효율, 전원 공급 방식을 개선하고 실제 작업 환경에서 성능을 검증할 계획이다. 피지컬 AI와 접목해 주변 환경과 물체의 특성에 맞춰 움직이는 로봇으로 발전시키는 연구도 추진한다.