"범블비"는 어떻게 움직일 수 있을까? :

로봇을 움직이는 액츄에이터에 관하여

 

최근 영화 ‘트랜스포머’의 새로운 시리즈가 개봉하였습니다. 이 영화의 주인공은 자동차와 같이 일상 속 기계들이 변신한 로봇입니다. 영화의 주연 로봇 ‘범블비’는 스포츠카가 변신한 로봇입니다. 이 범블비와 같은 로봇은 복잡한 기계장치를 가지고 있는데요, 온몸이 쇳덩이로 이루어져 상당히 무거운 몸을 가지고 있음에도 불구하고 사람과 같이 자유자재로 움직입니다. 이런 로봇들은 대체 어떤 부품을 사용하였기에 움직임도 자유롭고 강력한 힘을 발휘 할 수 있는걸까요?

<그림 1> 영화 트랜스포머와 다양한 로봇들(출처 : http://www.comingsoon.net)

이런 로봇을 움직이게 하는 부품을 액츄에이터(Actuator)라고 부릅니다. 오늘은 4차 산업혁명의 주인공으로 급부상하고 있는 로봇! 그리고 이 로봇을 움직이게 하는 액츄에이터에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

액츄에이터는 어떤 시스템을 물리적으로 움직일 때 필요한 기계장치로 압축공기, 유압, 전기 또는 자기 등을 이용하는 구동장치를 말합니다. 사람의 몸에 비유하면 팔과 다리를 움직이는 커다란 근육부터 손가락을 움직일 수 있는 섬세한 근육이 바로 액츄에이터입니다. 따라서 로봇이 사람과 같은 움직임을 보이기 위해서는 필요한 부분에 따라 적절한 힘과 민감도를 가지는 액츄에이터를 선택해야합니다. 산업현장이나 화재현장과 같은 곳에서 필요로 하는 로봇은 강력한 힘을 가질 필요가 있습니다. 반면에 나비나 새처럼 날아다니며 관찰이나 가벼운 물건을 배달하는데 사용되는 드론은 강력한 힘보다 가벼운 몸체가 필요할 것입니다. 이처럼 로봇이 어느 분야에서 어떤 목적으로 사용되느냐에 따라서 다양한 액츄에이터가 필요 합니다.

<그림 2> 로봇에서 사용되는 액츄에이터. 로봇 손이나 로봇 팔 등에서 사용되는 액츄에이터는 그 용도에 따라 다양한 종류가 있습니다.
(출처 : mindtrans.narod.ru)

액츄에이터의 역사는 세계 2차 세계대전까지 거슬러 올라갑니다. 지터 안켈레만(Xhiter Anckeleman)은 1938년, 세계에서 처음으로 공압과 수압을 기반으로 한 액츄에이터를 개발하였습니다. 사실 안켈레만은 성능이 뛰어나고 내구성이 좋은 브레이크를 개발하고 싶어서 이와 같은 발명을 했다고 합니다. 아무튼 이 발명 이후 액츄에이터에 대한 개발이 급격하게 이루어졌습니다. 현재 사용되고 있는 대표적인 액츄에이터 동력으로는 수압(유압)(Hydraulic actuator), 전기(Electrical actuator), 공압(Pneumatic actuator) 그리고 자기장(Magnetic actuator) 등이 있습니다.

<그림 3> 다양한 액츄에이터의 종류. 액츄에이터는 에너지를 기계적인 움직임으로 바꾸어주는 장치의 통칭입니다.

전기, 기름이나 물, 공기 혹은 자기장 등을 사용하여 에너지를 기계적인 움직임으로 바꾸어주게 됩니다.

(출처 : https://www.youtube.com/watch?v=vWn5nc5AS9s)

수압 액츄에이터는 수압을 기반으로 움직이는데, 펌프를 이용해 액체를 액츄에이터 내부로 집어넣는 방식으로 작동합니다. 액체는 거의 압축이 안되기 때문에 액츄에이터 중에 가장 강력한 힘을 낼 수 있습니다. 하지만 가속하는데 제한이 있기 때문에 빠른 움직임을 보이기 힘듭니다. 트랜스포머의 커다란 로봇이 매우 느리게 움직이는 것은 아무래도 수압 액츄에이터를 사용하였기 때문이 아닐까요? 공압 액츄에이터는 진공이나 압축공기를 이용하여 에너지를 생산합니다. 다른 액츄에이터에 비해 굉장히 빠른 반응속도를 보이는데, 공압 액츄에이터의 작동을 위한 공기/진공을 채우는 것이 따로 필요하지 않기 때문입니다. 수압에 비해 약하긴 해도 공압 액츄에이터 또한 상대적으로 큰 힘을 낼 수가 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 액츄에이터는 전기 액츄에이터 입니다. 전기에너지를 이용하여 모터를 돌리는 등 여러가지 기계적 힘으로 변형하는 액츄에이터인데요, 오일 등을 전혀 사용하지 않기 때문에 가장 깨끗하고 쉽게 사용할 수 있는 액츄에이터입니다. 전자기장 액츄에이터는 주로 상업용으로 많이 사용됩니다. 다른 액츄에이터에 비해 가장 작고 가볍지만, 조그만 크기에 비해 큰 힘을 낼 수 있는 액츄에이터 입니다. 형상기억물질(Shape memory materials)을 이용하여 제작하기도 합니다. 소형 로봇이나 드론에 적용하기 좋은 액츄에이터이기 때문에 잠자리같은 모양을 가지는 비행 드론 등에 적용을 할 수 있습니다. 한국과학기술연구원 광전하이브리드센터의 김희숙 박사님 연구팀과 이상수 박사님 연구팀에서는 이러한 분야에 적용되는 고분자 재료와 나노 카본 물질, 은 나노 와이어의 복합체를 제조하여 높은 액츄에이터 성능을 가지는 복합체 제작 연구를 진행하고 있습니다. 위에서 언급한 액츄에이터의 종류 중 자기장 액츄에이터에 해당하는데요, 단순히 고분자만 사용한 액츄에이터 성능의 경우 움직이는 힘이 그리 크지 않았지만 나노카본과 복합체를 제조하자 액츄에이터 성능이 향상되는 것을 확인하였습니다. 또한 은 나노와이어를 고분자 위에 얹음으로써 전류가 흐르면 팽창하는 방식의 액츄에이터를 제작하기도 하였습니다.


<그림 4> 은 나노 와이어와 고분자를 기반으로 한 액츄에이터. 전류를 흘렸을 때 은 나노 와이어/고분자

복합체는 팽창하고, 전류를 가하지 않았을 때 원래 모습으로 돌아오며 기계적인 움직임을 만들게 됩니다.

(출처 : http://www.nextdaily.co.kr)

최근 인공지능과 더불어 크게 성장하고 있는 로봇산업에서는 다양한 종류의 로봇과 인공 근육 등에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다. 전기에너지 등을 기계적인 움직임으로 바꾸어주는 액츄에이터는 나비의 날갯짓과 같은 작은 움직임부터 거대한 로봇의 강력한 움직임까지 넓은 범위에서 필수적인 요소이며, 앞으로 우리의 일상에 다양하게 접목되어 사용될 것입니다.

 

<그림 5> 다양한 로봇과 액츄에이터

(출처 : Nanoscale, 2015 (7) 16437)

참고문헌
1)
http://www.comingsoon.net/
2) mindtrans.narod.ru
3)
https://www.youtube.com/watch?v=vWn5nc5AS9s
4) http://www.nextdaily.co.kr
5) Nanoscale, 2015 (7) 16437
6)
http://www.machinedesign.com/
7) https://www.cs.rochester.edu/

Posted by KIST PR

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  1. Dr.정 2017.10.18 15:01 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    근데 영화의 범블비도 정말 액츄에이터를 써서 움직인 걸까요?