AI자율주행시스템공학과 조성건 교수 연구팀이 3D 프린팅 기술로 제작하는 메타물질(META-Material, 자연에는 없는 특수한 기계적 성질을 갖도록 인공적으로 설계한 구조 소재) 기반 소프트 센서를 제작 공정, 소재 시스템, 센싱 메커니즘의 세 가지 관점에서 분석하고 체계적인 설계 방향을 제시한 논문을 국제 학술지 'Small'에 게재했다. 해당 저널은 응용물리학(Applied Physics) 분야 상위 7.2%에 해당하며, IF는 12.1이다.

  이번 논문은 우리 대학 첨단지능형로보틱스연구실(AIRL) 소속 석사과정생인 박세익 연구원이 제1저자로 연구를 주도했으며, 쩌이 중 응우옌 연구원(제2저자), 김은지 연구원(제3저자), 정재민 연구원(제4저자), 신하연 연구원(제5저자)이 저자로, 김병규 교수가 공저자로, 조성건 교수가 교신저자로 함께했다.

  해당 연구는 소프트 로봇 센서 기술이 마주한 한계에서 출발한다. 소프트 로봇 기술이 빠르게 발전하면서 외부 환경을 인식하고 상호작용하기 위한 유연하고 분산된 형태의 인지 센서 기술이 중요해지고 있다. 그러나 기존의 단단한 형태의 센서는 소프트 로봇 특유의 크고 유연한 변형을 방해해 로봇의 움직임을 제한하는 한계가 있었다. 이에 대한 대안으로 기하학적 구조 설계를 통해 음의 푸아송 비(Negative Poisson's Ratio, 일반 재료는 잡아당기면 옆으로 가늘어지지만, 오히려 옆으로 두꺼워지는 특수한 성질) 등 자연계에서 찾기 어려운 기계적 성질을 구현하는 메타물질 기반 소프트 센서가 주목받고 있으나, 복잡하고 정교한 내부 구조는 기존의 주조나 성형 방식으로 제작하기 어렵다는 과제가 있었다.

  연구팀은 이러한 구조를 정밀하게 구현할 수 있는 3D 프린팅 기술과 다기능성 소재, 변형 기반의 센싱 메커니즘을 하나의 틀에서 종합적으로 정리했다. 특히 저항형, 정전용량형, 유도형 등 센싱 메커니즘을 유형별로 분류하고, 제작 기술과 소재 시스템, 센싱 구조를 연결하는 설계 프레임워크를 제시했다. 이는 센서를 로봇에 부착하던 기존 방식과 달리 소재 설계와 기하학적 구조 자체를 하나의 지능형 시스템으로 통합해, 강성 조절과 효율적인 전기기계적 신호 변환을 가능하게 하는 접근이다.

  해당 연구 방향은 복잡한 환경에서 인간과 안전하게 상호작용하는 차세대 지능형 소프트 로봇을 비롯해 웨어러블 헬스케어 기기, 스마트 의류 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 기반 기술로 평가된다.

  이번 연구는 독일 슈투트가르트대학교(University of Stuttgart) 연구진인 알렉산더 페를(Alexander Verl), 안니카 킨첸(Annika Kienzlen) 교수와의 국제 공동 연구의 결실이다. 슈투트가르트대학교 공작기계 및 생산설비 제어공학연구소(Institute for Control Engineering of Machine Tools and Manufacturing Units)와 우리 대학 KAU 로봇연구센터는 올해 양해각서(MOU)를 체결하고 공동 연구를 진행해왔으며, 페를 교수는 다음 학기 우리 대학 겸임교수로도 위촉될 예정이다.

  조성건 교수는 "논문은 3D 프린팅과 메타물질 기술을 융합해 '구조 자체가 감각을 갖는 센서'라는 새로운 설계 패러다임을 제시했다"며 "기존에는 센서를 구조물에 부착했다면, 앞으로는 구조 자체가 센서가 되어 스스로 변형과 외부 환경을 인식하게 되며, 이는 차세대 소프트 로봇뿐 아니라 우주 로봇, 웨어러블 기기, 의료기기 등 다양한 분야에서 인간의 피부와 같은 지능형 구조를 구현하는 핵심 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

  제1저자인 박세익 연구원은 "논문을 작성하며 기존 소프트 로봇의 한계를 극복하기 위해서는 소재의 유연성뿐만 아니라 메타물질의 기하학적 구조 설계와 3D 프린팅 공정을 통합적으로 바라보는 시각이 필수적임을 깊이 깨달았다"며 "특히 독일 슈투트가르트대학교 연구진과의 긴밀한 교류를 통해 글로벌 수준의 최신 연구 동향을 폭넓게 수용하고 융합할 수 있었던 것은 석사과정생으로서 큰 자산이 됐으며, 이번 성과를 발판 삼아 다양한 환경에서 사람처럼 유연하고 정교하게 상호작용할 수 있는 차세대 지능형 소프트 로봇을 개발하는 연구자로 성장해 나가겠다"고 말했다.