KR20150036697A

KR20150036697A - 모듈식 연성 로봇들을 위한 장치, 시스템들, 및 방법들

Info

Publication number: KR20150036697A
Application number: KR20157004174A
Authority: KR
Inventors: 스테판 에이. 모린; 센 더블유. 곽; 로버트 에프. 셰퍼드; 조지 엠. 화이트사이즈
Original assignee: 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2015-04-07
Also published as: EP3326766B1; EP2877325A2; EP2877325B1; WO2014015146A3; EP3326766A1; US10406698B2; WO2014015146A2; JP2015529567A; AU2013292508A1; US20150217459A1

Abstract

모듈식 연성 로봇들을 제공하기 위한 장치, 시스템들, 및 방법들이 개시된다. 특히, 개시된 모듈식 연성 로봇은 복수의 몰딩된 가요성 유닛들을 가진 가요성 작동기를 포함할 수 있다. 각각의 몰딩된 가요성 유닛은 또 다른 몰딩된 가요성 유닛에 대한 물리적 결합을 제공하도록 구성된 기계적 커넥터를 포함할 수 있으며, 복수의 몰딩된 가요성 유닛들은 내장된 유체 채널을 형성하도록 배열된다. 모듈식 연성 로봇은 또한 내장된 유체 채널에 결합된 유입구를 포함할 수 있으며, 여기에서 유입구는 가요성 작동기의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 가압된 또는 감압된 유체를 수용하도록 구성되고, 그에 의해 가요성 작동기의 작동을 야기한다.

Description

모듈식 연성 로봇들을 위한 장치, 시스템들, 및 방법들{APPARATUS, SYSTEMS, AND METHODS FOR MODULAR SOFT ROBOTS}

관련 출원들에 대한 상호-참조

본 출원은 2012년 7월 18일에 출원된, "모듈식 연성 로봇들을 위한 시스템들 및 방법들"이라는 제목의, 미국 가 특허 출원 번호 제61/673,068호의 선 출원 일자에 대한 이득을 주장한다. 여기에 인용된 모든 특허들, 특허 출원들 및 공개물들은 여기에 설명된 발명의 날짜로부터 이 기술분야의 숙련자들에게 알려진 바와 같이 최신 기술을 보다 완전히 설명하기 위해 전체적으로 참조로서 여기에 통합된다.

연방 정부 후원 또는 개발에 관한 성명

본 발명은 국방 첨단 과학 기술 연구소(Defense Advanced Research Projects Agency; DARPA)에 의해 부여된 승인 번호 W911NF-11-1-0094호 하에서 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정한 권한들을 가진다.

골격들을 가진 동물들을 닮은 로봇들에 대한 많은 접근법들이 활발히 개발되고 있다: "빅독(Big Dog)"이 예이다. 이들 로봇들의 대부분은 소위 "강성(hard)" 몸체 계획들; 즉, 단단한(보통 금속) 골격, 전기 또는 유압식 작동, 전기 기계 제어, 감지, 및 피드백을 사용하여 구성된다. 강성 로봇들은 그것들이 설계된 태스크들에서 매우 성공적이다. 예를 들면, 강성 로봇들은 제어된 환경들에서 중공업에 유용하다. 그러나, 이들 강성 로봇들은 강성 로봇들이 설계되지 않은 특정한 요구 태스크들에 직면할 때 제대로 동작할 수 없다. 예를 들면, 바위들 및 움푹 패인 부분들이 있는 힘든 지형들에서, 트랙들 및 휠들을 가진 강성 로봇들은 안전하게 이동할 수 없다.

강성 로봇들에 의해 직면하게 된 도전들의 일부는 제 2 클래스의 로봇에 의해 해소될 수 있다: 이것들은 골격들이 없는 동물들에 기초한다. 제 2 클래스의 로봇들은 다수의 이유들에 대해, 훨씬 적게 탐구된다: i) "해양-형" 유기체들, 예로서, (오징어)는 물의 부유 지원 없이 동작하지 않을 것이라는 추정이 있다; ii) 이들 시스템들을 만들기 위해 필요한 재료들 및 구성요소들은 이용 가능하지 않다; iii) 그것들에 사용된 작동의 주요 유형들(예를 들면, 누수 감지기들)은 종래의 로봇공학에서 사실상 사용되지 않는다. 이들 시스템들은 본질적으로 그것들의 능력들 및 잠재적인 사용들에서 강체 시스템들과 매우 상이하다. 그것들이 강체 시스템들보다 더 느릴 것이지만(적어도 그것들의 개발에서 초기에), 그것들은 또한 제한된 공간들(균열들, 잡석)을 통해 이동하기에 더 안정되고 양호할 수 있고, 더 가벼우며, 덜 값비쌀 것이다.

"연성(soft)"으로서 설명될 수 있는, 로봇들, 또는 로봇 작동기들은 그것들의 제조에 사용된 재료들 및 그것들의 작동 방법들에 의해 가장 쉽게 분류된다. 예를 들면, 연성 로봇 시스템은, 그 각각이 전체적으로 여기에 참조로서 통합되는, Ilievski 외에 의한, "연성 로봇 작동기들"이라는 제목의, 국제 특허 출원 번호, PCT/US2011/061720, Shepherd 외에 의한, "작동기 연성 로봇 작동기들을 위한 시스템들 및 방법들"이라는 제목의, 국제 특허 출원 번호, PCT/US2012/059226, 및 Mazzeo 외에 의한, "가요성 로봇 작동기들"이라는 제목의, 국제 특허 출원 번호, PCT/US2013/022593에 개시된 바와 같이, 그것의 구조들을 형성하기 위해, 연성 탄성체와 같은 연성 재료들, 또는 종이들, 나일론 직물들, 및 나이트릴과 같은 가요성 재료들을 사용할 수 있다.

불운하게도, 연성 로봇을 형성하기 위한 프로세스는 도전적이며 시간-소모적이다. 더욱이, 프로세스는 종종 개발의 초기 단계에서 계획된 특정한 설계에 맞춰지며, 나중 단계에서 수정하기에 어렵다. 그러므로, 연성 로봇들을 형성하기 위한 용이하며 다목적 기술을 개발하기 위한 이 기술분야에서의 요구가 있다.

연성 로봇들의 모듈화된 설계가 설명된다. 개시의 이들 및 다른 양상들 및 실시예들이 이하에 예시되고 설명된다.

개시된 실시예들의 일부는 연성 로봇 작동기를 포함한다. 상기 연성 로봇 작동기는 복수의 몰딩된 가요성 유닛들을 포함한 가요성 작동기로서, 각각의 몰딩된 가요성 유닛은 또 다른 몰딩된 가요성 유닛에 결합하도록 구성된 기계적 커넥터를 포함하며, 상기 복수의 결합된 몰딩된 가요성 유닛들은 유체 챔버를 정의하도록 배열되는, 상기 가요성 작동기; 및 상기 유체 채널에 결합된 유입구로서, 상기 유입구는 상기 가요성 작동기의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 가압된 유체 소스 또는 감압된 유체 소스에 상기 유체 채널을 결합시키도록 구성되는, 상기 유입구를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 각각의 몰딩된 가요성 유닛은 수 기계적 커넥터(male mechanical connector) 및 암 기계적 커넥터(female mechanical connector)를 포함하며, 제 1 몰딩된 가요성 유닛의 수 기계적 커넥터는 제 2 몰딩된 가요성 유닛의 암 기계적 커넥터에 결합하도록 구성된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 수 기계적 커넥터는 페그(peg)를 포함하며 암 기계적 커넥터는 리세스(recess)를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기계적 커넥터는 단일 횡 방향을 따라 인장 변형에 대한 저항을 제공하도록 구성된 단일 테이퍼 주먹장(dovetail) 접합부를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기계적 커넥터는 두 개의 방향을 따라 인장 변형에 대한 저항을 제공하도록 구성된 이중 테이퍼 주먹장 접합부를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나는 이종 재료를 포함하며, 또한 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나 상에서의 기계적 커넥터는 그것의 몸체의 것에 비교하여 더 견고한 재료를 사용하여 형성된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들은 상기 가요성 작동기를 형성하기 위해 서로의 최상부 상에 적층된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나 이상은 홀들을 포함하며, 상기 홀들은 상기 유체 채널을 형성하기 위해 정렬된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들의 일부는 서로에 수직으로 배열되며, 그에 의해 입방체 작동기를 형성한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기계적 커넥터는 상기 몰딩된 가요성 유닛의 에지를 따라 위치되며, 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 적어도 두 개는 상기 몰딩된 가요성 유닛들의 에지를 따라 위치된 상기 기계적 커넥터를 사용하여 서로 결합된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나는 절단 공구를 사용하여 절단되는 몰딩된 블록의 일 부분을 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 절단 공구는 면도날, 나이프, 및 가위 중 하나를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들은 제 1 몰딩된 가요성 유닛 및 제 2 몰딩된 가요성 유닛을 포함하며, 상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛은 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛에 비교하여 덜 견고하며, 유체 채널의 가압 또는 감압시, 상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛은 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛보다 더 팽창하도록 구성된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛 및 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛은 상기 유체 채널의 측벽을 포함하며, 그에 의해 가압 또는 감압시 팽창의 방향 및 크기의 제어를 제공한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛은 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛의 최상부 상에 적층되며, 그에 의해 가압 또는 감압시 유체 채널을 따라 팽창의 위치 및 크기의 제어를 제공한다.

몇몇 실시예들에서, 몰딩된 가요성 유닛 중 하나는 정사각형-형태를 가진다.

몇몇 실시예들에서, 연성 로봇 작동기는 두 개의 몰딩된 가요성 유닛들 사이에 기밀 결합을 형성하기 위해 두 개의 몰딩된 가요성 유닛들 사이에 접착제를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 접착제는 폴리디메틸실록산 프리폴리머를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 접착제는 액상 에코플렉스(Ecoflex) 프리폴리머를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나의 일 부분은 가압 또는 감압시 팽창 또는 수축하지 않도록 구성되는 강성 재료를 포함한다.

개시된 실시예들의 일부는 모듈식 연성 로봇을 포함한다. 상기 모듈식 연성 로봇은 몇몇 실시예들에 따른 복수의 연성 로봇 작동기들; 및 상기 복수의 연성 로봇 작동기들의 유입구들에 결합된 유체 유입구로서, 상기 유체 유입구는 가압된 또는 감압된 유체를 수용하도록 및 상기 복수의 연성 로봇 작동기들의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 상기 복수의 연성 로봇 작동기들의 상기 유입구들에 상기 수용된 유체를 제공하도록 구성되는, 상기 유체 유입구를 포함한다.

상기 개시된 실시예들의 일부는 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 또 다른 가요성 기본 유닛에 대한 물리적 결합을 제공하도록 구성된 기계적 커넥터를 포함한 복수의 가요성 기본 유닛들을 제공하는 단계; 내장된 유체 채널을 가진 가요성 작동기를 형성하도록 상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계; 및 상기 내장된 유체 채널에 결합된 유입구를 제공하는 단계로서, 상기 유입구는 상기 가요성 작동기의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 가압된 또는 감압된 유체를 수용하도록 구성되며, 그에 의해 상기 가요성 작동기의 작동을 야기하는, 상기 유입구 제공 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기계적 커넥터는 수 기계적 커넥터 및 암 기계적 커넥터를 포함하며, 제 1 가요성 기본 유닛의 수 기계적 커넥터는 제 2 가요성 기본 유닛의 암 기계적 커넥터에 결합하도록 구성된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 수 기계적 커넥터는 페그를 포함하며 암 기계적 커텍터는 리세스를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기계적 커넥터는 단일 횡 방향을 따라 인장 변형을 제공하도록 구성된 단일 테이퍼 주먹장 접합부를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 기계적 커넥터는 두 개의 방향들을 따라 인장 변형을 제공하도록 구성된 이중 테이퍼 주먹장 접합부를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나는 이종 재료를 포함하며, 또한 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나 상에서의 상기 기계적 커넥터는 그것의 몸체의 것에 비교하여 더 견고한 재료를 사용하여 형성된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계는 상기 가요성 작동기를 형성하기 위해 상기 가요성 기본 유닛들 중 하나를 상기 가요성 기본 유닛들의 또 다른 것의 최상부 상에 적층하는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 가요성 기본 유닛들 중 하나 이상은 홀들을 포함하며, 또한 상기 방법은 상기 유체 채널을 형성하도록 상기 홀들을 정렬시키는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 가요성 기본 유닛들은 제 1 가요성 기본 유닛 및 제 2 가요성 기본 유닛을 포함하며, 상기 제 1 가요성 기본 유닛은 상기 제 2 가요성 기본 유닛에 비교하여 덜 견고하며, 상기 유체 채널의 가압 또는 감압시, 상기 제 1 가요성 기본 유닛은 상기 제 2 가요성 기본 유닛보다 더 팽창하도록 구성된다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계는 상기 유체 채널의 측벽으로서 상기 제 1 가요성 기본 유닛 및 상기 제 2 가요성 유닛을 배열하고, 그에 의해 가압 또는 감압시 팽창의 방향 및 크기의 제어를 제공하는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계는 상기 제 2 가요성 유닛과 함께 상기 제 1 가요성 기본 유닛을 적층하는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 방법은 상기 두 개의 가요성 기본 유닛들 사이에 기밀 결합을 형성하기 위해 두 개의 가요성 기본 유닛들 사이에 접착제를 제공하는 단계를 더 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 상기 접착제는 액상 에코플렉스 프리폴리머를 포함한다.

몇몇 실시예들에서, 복수의 가요성 기본 유닛들을 제공하는 단계는 절단 공구를 사용하여, 몰딩된 블록으로부터 상기 복수의 가요성 기본 유닛들 중 하나를 절단하는 단계를 포함한다.

개시된 실시예들 중 일부는 연성 로봇 작동기를 작동시키는 방법을 포함한다. 상기 방법은 몇몇 실시예들에 따른 연성 로봇 작동기를 제공하는 단계, 및 상기 연성 로봇 작동기의 벽의 팽창을 야기하고, 그에 의해 상기 연성 로봇 작동기의 작동을 야기하기 위해 상기 연성 로봇 작동기의 상기 유입구에 가압된 또는 감압된 유체를 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명은 다음의 도면들을 참조하여 설명되며, 이것은 단지 예시의 목적을 위해 제공되며, 제한적이도록 의도되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c는 특정한 실시예에 따른 페그/리세스 커넥터들을 가진 기본 유닛들을 예시한다.
도 2a 내지 도 2g는 횡 커넥터들을 가진 기본 유닛들 및 이들 기본 유닛들이 어떻게 몇몇 실시예들에 따른 입방체 작동기를 형성하기 위해 접합될 수 있는지를 예시한다.
도 3a 내지 도 3c는 몇몇 실시예들에 따른 구부러진 연성 로봇을 예시한다.
도 4a 내지 도 4c는 몇몇 실시예들에 따른 비틀린 연성 로봇을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 몇몇 실시예들에 따른 신장된 연성 로봇을 예시한다.
도 6a 내지 도 6c는 몇몇 실시예들에 따라, 강성의, 견고한 형성 블록들을 사용하여, 설계 또는 제조에 어려운 다목적 연성 로봇의 부가적인 예들을 예시한다.
도 7a 내지 도 7h는 몇몇 실시예들에 따라 상이한 형태들의 기본 유닛들을 생성 및 사용하는 프로세스를 예시한다.
도 8a 내지 도 8e는 몇몇 실시예들에 따른 기본 유닛들을 사용하여 연성 로봇 작동기를 형성하기 위한 메커니즘을 예시한다.
도 9a 내지 도 9e는 몇몇 실시예들에 따른 이방성 작동을 보이도록 구성된 연성 로봇 작동기를 예시한다.
도 10a 내지 도 10e는 몇몇 실시예들에 따른 이방성 연성 로봇 작동기의 또 다른 클래스를 예시한다.
도 11a 내지 도 11g는 또한 가압으로 인한 팽창의 방향 및 크기가 상이한 변형 특성들을 가진 기본 유닛들을 사용함으로써 제어될 수 있음을 예시한다.
도 12a 내지 도 12e는 몇몇 실시예들에 따른 직사각형 기본 유닛들로부터 조립된 프리즘-형 작동기를 예시한다.
도 13a 내지 도 13d는 몇몇 실시예들에 따른, 십자형 기본 유닛들로부터 조립된 십자-형 작동기, 및 그것의 팽창 특성들을 형성하는 프로세스를 예시한다.
도 14a 내지 도 14e는 몇몇 실시예들에 따른 커넥터들을 사용하여 두 개 이상의 입방체 작동기들을 결합하는 것을 예시한다.
도 15a 내지 도 15e는 몇몇 실시예들에 따른 하나 이상의 재료를 가진 기본 유닛들을 사용하여 조립된 입방체 작동기를 예시한다.
도 16a 내지 도 16c는 몇몇 실시예들에 따른 다-기능 연성 로봇을 예시한다.
도 17a 내지 도 17d는 몇몇 실시예들에 따른 다-채널 작동기를 예시한다.
도 18a 내지 도 18e는 몇몇 실시예들에 따른 롤링 작동기의 조립체 및 그것의 동작을 예시한다.

연성 로봇들을 프로토타이핑하는 것은 종종 3개의 주요 단계들을 포함한다: 마스터 몰드 설계, 마스터 몰드 설계에 기초한 마스터 몰드 제작, 및 마스터 몰드를 사용한 연성 로봇 제작. 첫 두 개의 단계들, 마스터 몰드 설계 및 제작, 은 종종 시간 소모적이며 도전적이다. 더욱이, 일단 마스터 몰드가 설계/제작되면, 마스터 몰드는 수정하기 어렵다. 마스터 몰드가 명세서에서 특정한 변화들을 수용하기 위해 변경될 필요가 있다면, 새로운 마스터 몰드가 설계되고 제작될 필요가 있으며, 이것은 연성 로봇 개발들을 위한 소요 시간을 추가로 증가시킨다. 그러므로, 연성 로봇들을 설계 및 검사하는 것은 도전적이며 시간 소모적 태스크인 채로 남아있다.

본 개시의 몇몇 실시예들은 새로운 연성 로봇들의 설계 및 검사를 용이하게 하는 것을 목표로 하는, 연성 로봇들을 프로토타이핑하기 위한 모듈화된 메커니즘들에 관한 것이다. 특히, 임의의 형태들 및 기능들의 연성 로봇들은 기본 유닛들로 불리우는, 미리 결정된 형태들의 모듈들을 조립함으로써 프로토타이핑될 수 있다. 기본 유닛들은 가변 치수들 및 형태들을 가진 조립된 로봇들이 몇 개의 기본 형태들을 사용하여 만들어질 수 있도록 기계적으로 강력하며, 선택적으로 기밀 연결들을 사용하여 교합할 수 있다. 기본 유닛들은 단일 마스터를 사용하여, 연성의, 탄성 재료로부터 형성될 수 있으며, 그것들은 고유 기능들을 가진 새로운 연성 로봇들을 생성하기 위해 간단히 및 빠르게 조립될 수 있다. 이들 능력들은 사용자로 하여금, 새로운 마스터를 설계/제작하기 위한 요구 없이, 많은 상이한 연성 로봇 설계들 - 작동기 스타일, 기하학적 구조, 및 재료 조성 - 을 빠르게 조사할 수 있게 한다.

기본 유닛은 상기 기본 유닛으로 하여금 다른 기본 유닛들에 연결하거나 또는 그것과 짝을 이루도록 허용하는, 기계적 특징들을 포함하는 가요성 몸체이다. 몇몇 실시예들에서, 기본 유닛은 연성 재료를 사용하여 제작될 수 있다. 예를 들면, 기본 유닛은 탄성체를 사용하여 제작될 수 있다. 이것은 기본 유닛이 외부 힘에 응답하여 가요성을 보이며 형태를 변경하도록 허용한다. 이하에 예시되는 바와 같이, 기본 유닛은 외부 힘에 응답하여 구부리고, 비틀고, 모핑(morph)되고, 신장되거나, 또는 감기도록 구성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛의 가요성은 기본 유닛 내에서의 공동의 크기를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 기본 유닛은 가득 채워질 수 있으며(즉, 고체), 이것은 기본 유닛의 강성도를 증가시킬 것이다. 다른 실시예들에서, 기본 유닛들은 중공일 수 있으며, 이것은 기본 유닛의 강성도를 감소시킬 것이다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛은 블록 또는 평행 6면체의 형태에 있다. 평행 6면체 기본 유닛은 직사각형 입방형 기본 유닛(6개의 직사각형 면들), 입방체 기본 유닛(6개의 정사각형 면들), 및 능면체 기본 유닛(6개의 마름모 면들)을 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 기본 유닛은 얇을 수 있다(즉, 기본 유닛의 폭 및 길이는 기본 유닛의 높이에 비교하여 상당히 더 클 수 있다). 얇은 기본 유닛은 큰 가요성을 가진 연성 로봇을 제공하도록 조립될 수 있다.

기본 유닛의 교합하는 기계적 특징은 종종 수 및 암 연결들로서 불리우는, 돌출부들 및 그것들의 상보적 공동들을 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 돌출부들 및 그것들의 상보적 공동들은 평행 6면체 형 기본 유닛의, 각각 상부 및 하부 표면들 상에 위치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 교합하는 기계적 특징은 기본 유닛의 에지들을 따라 위치될 수 있다. 이러한 횡 교합 기계적 특징은 기본 유닛이 횡 방향으로 또 다른 기본 유닛에 결합하도록 허용한다. 또한 기계적 커넥터들로서 불리우는, 교합하는 기계적 특징들은 이웃하는 유닛들의 기계적 커넥터들과 회전 연결할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들 사이에 형성된 연결들, 또는 접합부들은 기밀 밀봉을 제공하기 위해 밀봉될 수 있다. 교합하는 기계적 특징들은 페그/리세스 쌍, 단일-테이퍼 주먹장 커넥터, 및 이중-테이퍼 주먹장 커넥터를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들은 연성 로봇을 형성하기 위해 조립되며 서로 결합될 수 있다. 연성 로봇은 원하는 볼륨 형상을 형성하도록 배열되는 복수의 기본 유닛들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 연성 로봇은 복수의 면들을 가진 다면체로서 성형될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 다면체 볼륨의 각각의 면은 하나 이상의 기본 유닛들을 사용하여 형성될 수 있다. 다른 경우들에서, 다면체는 복수의 기본 유닛들을 적층시킴으로써 형성될 수 있다. 다른 경우들에서, 다면체는 두 개의 부분들, 즉 복수의 기본 유닛들을 적층시킴으로써 형성된 제 1 부분 및 다면체의 면들의 일부를 형성하기 위해 기본 유닛들에 횡 방향으로 접함으로써 형성된 제 2 부분을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들을 사용하여 조립된 연성 로봇은 가압된 또는 감압된 유체에 응답하여 이동하도록 구성되는 작동기일 수 있다. 특히, 연성 로봇은 가압된 또는 감압된 유체를 수용할 수 있는 유체 채널을 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 유체 채널은 다면체의 면들에 의해 형성된 공동을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 기본 유닛들은 중공 다면체의 면들을 형성할 수 있으며, 중공 다면체의 공동은 다면체의 유체 채널을 형성할 수 있다. 다른 경우들에서, 유체 채널은 기본 유닛들에서 홀을 정렬시킴으로써 형성될 수 있다. 예를 들면, 연성 로봇 작동기는 복수의 기본 유닛들을 적층시킴으로써 형성될 수 있으며, 여기에서 각각의 기본 유닛은 홀을 포함할 수 있다. 기본 유닛들에서 홀들을 정렬시킴으로써, 홀들은 가압된 또는 감압된 유체를 수용할 수 있는 유체 채널을 총괄하여 형성할 수 있다. 홀의 형태는 유체 채널의 단면의 형태를 결정할 수 있다. 기본 유닛에서의 홀은 유체 채널의 단면에 대해 원, 정사각형, 직사각형, 다각형, 별, 또는 임의의 다른 바람직한 형태로서 성형될 수 있다.

연성 로봇 작동기의 응답은 유체 채널의 폭을 제어함으로써 제어될 수 있다. 유체 채널의 폭은 다면체의 크기, 기본 유닛들의 두께, 또는 기본 유닛들에서의 홀들의 크기를 제어함으로써 제어될 수 있다.

몇몇 경우들에서, 일단 연성 로봇이 기본 유닛들을 사용하여 설계되었다면, 고유 마스터가 최종 생성물로서 프로토타입을 직접 복제하기 위해 생성될 수 있다. 모듈식 연성 로봇 설계의 이러한 속성은 특정 애플리케이션 또는 캐스트에 맞춰진 연성 기계들의 설계를 극적으로 개선할 수 있다. 다양한 상이한 탄성 구조들을 조립하기 위해 사용될 수 있는 상이한 기본 유닛들을 제작하기 위해 하나의 몰드를 사용하기 위한 능력은 특히, 설계 리소스들이 제한되는 상황들에서 또는 로봇이 많은 준비 없이, 정확하게 정의된 규격들 없이, 제작되어야 할 때 가치가 크다. 개시된 실시예들은 전문화된 기구들(예로서, 3D 프린터들)에 대한 액세스를 갖지 않을 수 있는 많은 그룹들(예로서, 과학자들, 학생들, 및 엔지니어들)이 새로운 연성 기계들을 설계하고, 프로토타이핑하며, 탐구할 수 있게 한다.

도 1은 몇몇 실시예들에 따른 평행 6면체 또는 블록 형성 유닛에서 돌출부들 및 상보적 공동들을 가진 소프트 기본 유닛들을 예시한다. 도 1a에서, 좌측 도면은 유닛의 상부 표면(120) 상에 단일 돌출부(110) 및 유닛의 하부 표면(140) 상에 단일 상보형 함몰부(recession)(130)를 포함한 기본 유닛(100)의 투시도를 도시하며, 우측 도면은 기본 유닛(100)의 단면도(150)를 도시한다. 유닛 및 돌출부 및 공동의 높이 및 폭에 대한 대표적인 치수들이 도면들에 도시되지만, 이들 치수들은 예시의 목적을 위한 것이며 사용된 임의의 몰딩 기술들의 예상된 프로토타이핑 및 제한들에 의존하여, 일련의 크기들이 사용될 수 있다. 기본 유닛의 기계적 특징들은 그것을 또 다른 기본 유닛에 물리적으로 결합할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛에서의 기계적 특징들은, 수 커넥터로서 기능하는, 원통형 페그, 및 또 다른 기본 유닛에서 원통형 페그 커넥터와 짝을 이루도록 설계된 원통형 리세스를 포함할 수 있다. 원통형 페그는, 두 개의 기본 유닛들이 하나를 다른 것의 최상부 상에 바로 적층하도록 허용하는, 도 1a에 예시된 바와 같이, 원통형 리세스 바로 위에 있을 수 있지만; 이것은 필수적인 것은 아니다.

본 개시에서, 페그를 가진 면은 양의 면으로 불리우며 리세스를 가진 반대 면은 음의 면으로 불리운다. 페그/리세스의 축은 도 1a의 좌측 도면에서 수직 화살표에 의해 표현된다. 원통형 단면으로서 예시되듯이, 돌출부들 및 함몰부들은 정사각형, 타원형, 또는 직사각형 단면과 같은, 임의의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 몇몇 경우들에서, 기본 유닛은 하나 이상의 세트의 기계적 특징들을 가질 수 있다. 도 1b는 2×3 어레이의 기계적 커넥터들을 가진 기본 유닛(160)을 예시한다.

도 1c는 두 개의 기본 유닛들이 몇몇 실시예들에 따라 조립될 수 있는 다양한 방식들을 예시한 일련의 사진들이다. 상부 사진은 상부 2×3 어레이의 돌출부들(170)(좌측 블록) 및 하부 2×3 어레이의 공동들(180)(우측 블록)을 도시한 두 개의 동일한 기본 유닛들(채색을 제외하고)을 도시한다. 나머지 사진들은 페그들/리세스들 중 일부 또는 모두가 두 개의 2×3의 어레이들의 기본 유닛들(170, 180)을 함께 연결하기 위해 사용될 수 있음을 예시한다. 스케일 바는 1 cm이며 패널에서의 모든 이미지들에 의해 공유된다. 기본 유닛들을 조립할 때, 기본 유닛들은 가요성 재료를 사용하여 형성되기 때문에, 기본 유닛(170)의 페그들은 다른 기본 유닛(180)의 리세스로 끼워 넣을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기본 유닛은 중공일 수 있다. 그러나, 중공으로 만들어지더라도, 기본 유닛은 특정한 애플리케이션들에 대해 너무 가요성일 것이다. 그러므로, 다른 실시예들에서, 기본 유닛은 가득 채워질 수 있다(즉, 고체).

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들은 연성 로봇으로 조립될 수 있다. 연성 로봇은 하나 이상의 기본 유닛들을 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 연성 로봇은 기본 유닛들을 서로의 최상부 상에 적층함으로써 형성될 수 있다. 다른 경우들에서, 연성 로봇은 이하에 논의되는 바와 같이, 기본 유닛들에 횡 방향으로 접함으로써 형성될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 연성 로봇에서의 둘 이상의 기본 유닛들은 동일한 형태를 가질 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 연성 로봇은 가압된 또는 감압된 유체를 사용하여 작동될 수 있다. 예를 들면, 연성 로봇은 가압된 또는 감압된 유체를 수용할 수 있는 유체 채널을 포함할 수 있으며, 연성 로봇은 가압된 또는 감압된 유체를 수용하는 것에 응답하여 작동될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 유체 채널은 기본 유닛들의 배열에 의해 형성된 공동을 포함할 수 있다. 다른 경우들에서, 유체 채널은 이하에 추가로 개시되는 바와 같이, 적층된 기본 유닛들에서의 홀들에 의해 형성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛에서의 기계적 특징들은 횡 방향으로 배열된 커넥터들을 포함할 수 있다. 횡 커넥터들은 기본 유닛들을 횡 방향으로 결합할 수 있다. 도 2a 내지 도 2g는 횡 커넥터들을 가진 기본 유닛들 및 이들 기본 유닛들이 어떻게 몇몇 실시예들에 따른 입방체 작동기를 형성하기 위해 접합될 수 있는지를 예시한다.

횡 커넥터는 단일-테이퍼 주먹장 접합부, 이중-테이퍼 주먹장 접합부, 및 페그/리세스 접합부를 포함할 수 있다. 도 2a는 몇몇 실시예들에 따라, 단일-테이퍼 주먹장 공동(210)(최상부) 및 그것의 짝짓기 핀(220)(최하부)을 갖는, 단일-테이퍼 주먹장 접합부의 개략도를 예시하고; 도 2b는 몇몇 실시예들에 따라, 이중 테이퍼 주먹장(230)(최상부) 및 짝짓기 핀(240)(최하부)을 가진, 이중-테이퍼 주먹장 접합부의 개략도를 예시하며; 그리고, 도 2c는 몇몇 실시예들에 따라, 페그(250)(최상부) 및 리세스(260)(최하부)를 가진, 페그/리세스 접합부의 개략도를 예시한다.

단일-테이퍼 주먹장 접합부는 단일-테이퍼 주먹장 공동(210)(즉, 암 단일-테이퍼 주먹장 접합부) 및 그것의 짝짓기 핀(220)(즉, 수 단일-테이퍼 주먹장 접합부)을 포함할 수 있다. 공동(210)은 두 개의 인접한 꼬리부들(230, 240)에 의해 형성될 수 있다. 수 단일-테이퍼 주먹장 접합부(220)는 기계적 교합에 의해 암 단일-테이퍼 주먹장 접합부(210)에 결합되도록 구성될 수 있다. 단일-테이퍼 주먹장 접합부는 단일 횡 방향을 따라 두 개의 기본 유닛들 사이에 맞춤(또는 인장 변형에 대한 저항)을 제공할 수 있다. 예를 들면, 평면에 평행하여 배열된 제 1 기본 유닛이 평면에 수직으로 배열된 제 2 기본 유닛에 결합될 때, 제 1 기본 유닛은 평면을 따라 제 2 기본 유닛의 움직임을 제한할 수 있다. 예를 들면, 짝짓기 핀(220) 및 꼬리부들(230, 240)은 단일 및 상보적 테이퍼 각에 의해 정의된다.

이중-테이퍼 주먹장 접합부는 이중-테이퍼 주먹장 공동(230)(즉, 암 이중-페이퍼 주먹장 접합부) 및 그것의 짝짓기 핀(240)(즉, 수 이중-테이퍼 주먹장 접합부)을 포함할 수 있다. 공동(230)은 두 개의 인접한 꼬리부들(250, 260)에 의해 형성될 수 있다. 수 이중-테이퍼 주먹장 접합부(240)는 기계적 잠금에 의해 암 이중-테이퍼 주먹장 접합부(230)에 결합되도록 구성될 수 있다. 이중-테이퍼 주먹장 접합부는 이중-테이퍼 주먹장 접합부에서의 표면의 형태에 기초하여, 두 개의 방향들로 인장 변형에 대한 저항을 제공할 수 있다. 핀들 및 꼬리부들은, 또한 때때로 특성 각들로서 불리우는, 두 개의 상보적 테이퍼 각들을 가진다. 특성 각들은 이중-테이퍼 주먹장 접합부가 인장 변형에 대한 저항을 제공하는 방향들을 결정할 수 있다. 특히, 이중-테이퍼 주먹장 접합부는 양쪽 조각들의 직교 방향을 따르는 힘에 저항할 수 있다. 핀(240)은 꼬리부들(250, 260)이 핀(240)에 의해 "꼭 잡히는" 동일한 방식으로 꼬리부들(250, 260)에 의해 "꼭 잡힐" 것이다.

이러한 이중-테이퍼 주먹장 접합부는 이중-테이퍼 주먹장 접합부의 형태가 두 개의 하드-재료-기반 이중-테이퍼 주먹장 접합부가 이중-테이퍼 주먹장 접합부를 깨지 않고 서로에 접합될 수 없도록 하기 때문에 단지 연성 재료들에서만 실현 가능하다. 이중-테이퍼 주먹장 접합부가 두 개의 특성 각들을 갖기 때문에, 핀(240)은 꼬리부들(250, 260)에서 또는 그 밖으로 쉽게 미끄러지지 않는다. 다시 말해서, 핀(240) 및 꼬리부들(250, 260)은 그것들이 수 이중-테이퍼 주먹장 접합부를 암 이중-테이퍼 주먹장 접합부로 끼워넣음으로써만 맞출 수 있도록 성형된다.

페그-리세스 접합부는 페그(250) 및 리세스(260)를 포함할 수 있다. 페그/리세스 접합부는 두 개의 기본 유닛들 사이에 맞춤을 제공할 수 있으며, 리세스(260)의 폭이 페그(250)의 폭보다 약간 더 작다면, 페그/리세스 접합부는 하나의 방향으로 인장 변형에 대한 저항을 제공할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛은 일 유형의 접합부들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 기본 유닛은 둘 이상의 유형들의 접합부들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기본 유닛의 일 에지는 단일-테이퍼 주먹장 접합부를 포함할 수 있으며, 동일한 기본 유닛의 또 다른 에지는 이중-테이퍼 주먹장 접합부를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 횡 커넥터들을 가진 기본 유닛들은 입방체 연성 로봇을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도 2d는 몇몇 실시예들에 따른 입방체 연성 로봇을 조립하기 위해 사용된 기본 유닛들의 하향식 뷰를 예시한다. 몇몇 실시예들에서, 입방체 연성 로봇은 입방체의 에지 제약들로 인해 둘 이상의 고유의 기본 유닛들을 사용하여 형성될 수 있다. 입방체의 기본 유닛들은 단일 테이퍼 주먹장 접합부 또는 이중 테이퍼 주먹장 접합부를 포함하여, 임의의 유형의 횡 커넥터들을 사용할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 입방체 연성 로봇을 위한 기본 유닛들은 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하여 제작될 수 있다. 도 2e는 입방체 작동기가 어떻게 3개의 유형들의 기본 유닛들을 사용하여 조립될 수 있는지를 예시한다. 일 면의 배향은 화살표(270)를 갖고 표시된다. 도 2f 내지 도 2g는 상이한 관점들로부터 완전히-조립된 PDMS 입방체 로봇을 예시한다.

횡 커넥터들은 단일 테이퍼 주먹장 커넥터들, 이중 테이퍼 주먹장 커넥터들, 또는 페그/리세스 커넥터들에 제한되지 않는다. 특정한 기계적 특성들이 상이한 유형들의 횡 커넥터들을 사용하기 때문에 변할 수 있지만, 모듈식 연성 로봇들의 기본 개념들 및 능력들은 사용된 커넥터들의 유형에 관계없이 동일한 채로 있을 것이다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들은 단일의, 대형 마스터 몰드를 사용하여 제작될 수 있다. 예를 들면, 대형 마스터 몰드는 마스터 유닛으로 불리우는, 9×6 직사각형 어레이의 기본 유닛들을 생성하기 위해 사용될 수 있으며, 마스터 유닛은 상이한 형태들 및 치수들의 기본 유닛들을 형성하기 위해 절단될 수 있다. 그것의 부드러움으로 인해, 마스터 유닛은 면도날, 나이프, 또는 가위와 같은, 간단한, 비싸지 않은 공구들을 사용하여 절단될 수 있다. 마스터 유닛을 절단하여 임의의 치수들 및 형태들의 기본 유닛들을 생성하기 위한 능력은 기본 유닛들에 대해 연성 재료들을 사용하는 고유 이점이다.

몇몇 실시예들에서, 마스터 유닛은 동종 마스터 유닛을 형성하기 위해 단일 재료를 사용하여 제작될 수 있다. 다른 실시예들에서, 대형 마스터 몰드는 이종 마스터 유닛을 생성하기 위해 상이한 재료들의 층들로 채워질 수 있다. 몇몇 경우들에서, 이종 마스터 유닛은 몸체의 것들(즉, 마스터 유닛의 나머지)에 비교하여 상이한 기계적 속성들을 가진 커넥터들을 가질 수 있다. 특히, 커넥터들은 몸체의 것에 비교하여 더 견고한 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 마스터 유닛 상에서의 커넥터들은 PDMS를 사용하여 형성될 수 있으며, 마스터 유닛의 나머지는 에코플렉스와 같은, 탄성체를 사용하여 형성될 수 있다. 기본 유닛들의 이러한 조성은 기본 유닛들을 함께 융합(또는 접착)할 필요 없이 반복된 사이클들에 걸쳐 용이하고, 안정적인 연결들을 허용할 수 있다.

도 3 내지 도 6은 몇몇 실시예들에 따른 연성 기본 유닛들의 기능적 능력을 예시한다. 연성 기본 유닛들은 강성 형성 블록들을 갖고 실현 가능하지 않은 다양한 모션들 및 구조들을 수용할 수 있는 연성 로봇을 형성하기 위해 조립될 수 있다. 특히, 연성 기본 유닛들을 사용하여 형성된 연성 로봇은 구부러짐, 비틀림, 신장, 또는 모핑을 수용할 수 있으며, 이것은 강성 형성 블록들을 갖고 실현 가능하지 않다. 이들 도면들은 기계적 커넥터들이 몸체에 비교하여 약간 더 견고한 재료로 만들어진 복합 기본 유닛들을 가진 연성 로봇을 예시한다. 예를 들면, 기본 유닛들의 기계적 커넥터들은 약간 견고한 PDMS로 만들어지며, 기본 유닛들의 몸체는 크게 늘일 수 있는 에코플렉스로 만들어졌다.

도 3a 내지 도 3c는 몇몇 실시예들에 따른 구부러진 연성 로봇을 예시한다. 도 3a는 스태거드 방식으로 기본 유닛을 적층함으로써 형성된, 구부러진 연성 로봇의 층을 도시한다. 구부러진 연성 로봇의 층은 돌출된 기본 유닛(310) 및 두 개의 다른 돌출된 기본 유닛들(330, 340) 사이에 형성된 보이드(320)를 포함할 수 있다. 구부러진 연성 로봇의 층은 랩 어라운드될 수 있어서, 기본 유닛들의 가요성 특징을 레버리징하며, 따라서 돌출된 기본 유닛(310)은 유닛들(310, 330, 340) 상에서의 커넥터들을 사용하여 두 개의 돌출된 기본 유닛들(330, 340)에 교합된다. 도 3b 및 도 3c는 다른 유형들의 기초적인 기본 유닛들을 사용하여 형성된 구부러진 연성 로봇들의 다른 예들을 예시한다. 기본 유닛들의 가요성 특징은 로봇 설계자들이 기초적인 기본 유닛들을 사용하여 다양한 형태들 및 기능을 가진 연성 로봇들을 형성하도록 허용한다.

도 4a 내지 도 4c는 몇몇 실시예들에 따른 비틀린 연성 로봇을 예시한다. 몇몇 경우들에서, 비틀린 연성 로봇은 두 개의 유형들의 기본 유닛들(410, 420)을 연결함으로써 형성될 수 있다. 예시에서, 비틀린 연성 로봇은 1×9 어레이의 커넥터들을 가진 10개의 직사각형 기본 유닛들(410)을 포함하며, 하나의 직사각형 기본 유닛(420)은 2×4 어레이의 커넥터들을 가진다. 비틀린 연성 로봇은 두 개의 층들에 1×9 기본 유닛(410)을 스태거링하고, 최하부에서 2×4 기본 유닛(420)을 결합함으로써 형성될 수 있다. 도 4a는 그것의 이완된 상태(즉, 0도의 비틀림)에서의 비틀린 연성 로봇을 도시한다. 이러한 비틀린 연성 로봇은 몇몇 실시예들에 따른 도 4b 및 도 4c에 예시된 바와 같이, 비틀린 로봇의 중심 축을 따라 비틀어질 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 몇몇 실시예들에 따른 신장된 연성 로봇을 예시한다. 몇몇 경우들에서, 신장된 연성 로봇은 기본 유닛들(510)을 연결함으로써 형성될 수 있다. 신장된 연성 로봇은 도 5a에 예시된 바와 같이, 두 개의 층들에 1×9 기본 유닛들(510)을 스태거링함으로써 형성될 수 있다. 각각의 기본 유닛은 연성이고 가요성이기 때문에, 신장된 연성 로봇은 도 5b에 예시된 바와 같이, 로봇의 각각의 단부에 인가된 횡방향으로 당기는 힘에 응답하여 늘어날 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 몇몇 실시예들에 따라, 단단한, 강성 형성 블록들을 사용하여 설계 또는 제조하기에 어려운 다목적 연성 로봇의 부가적인 예들을 예시한다. 도 6a는 기본 유닛들이 연성이며 가요성이기 때문에, 기본 유닛들이 고르지 않은 높이를 갖고 적층될 수 있음을 도시한다. 예를 들면, 도 6a는 범프(610)를 포함하는 로봇을 도시한다. 그러나, 범프(610)는 인접한 기본 유닛들(620, 630)이 범프(610)를 수용하기 위해 구부릴 수 있기 때문에 임의의 이슈를 야기하지 않는다. 도 6b는 기본 유닛들이 연성이며 가요성이기 때문에, 뫼비우스의 띠가 기본 유닛들을 적층시키고, 그것들을 그것들의 중심 축을 따라 비틀며, 띠의 두 개의 단부들을 결합함으로써 형성될 수 있음을 도시한다. 도 6c는, 페그/리세스의 축에 직교하는 축들에 대하여 기본 유닛들을 구부림으로써, 이중 아치 구조가 생성될 수 있음을 도시한다. 이러한 이중 아치 구조는 기본 유닛들의 영구적인 결합 없이 하중을 지지할 수 있다. 그러므로 도 3 내지 도 6은 연성 기본 유닛들이 다양한 특성들의 구조들을 형성하기 위한 고유하고 바람직한 수단을 제공한다는 것을 예시한다.

도 7a 내지 도 7h는 몇몇 실시예들에 따른 상이한 형태들의 기본 유닛들을 생성 및 사용하는 프로세스를 예시한다. 소프트 기본 유닛들의 다목적 특징 때문에, 기본 유닛들은 직사각형 어레이들로 절단될 필요가 없다. 대신에, 기본 유닛들은 임의의 형태들로 절단될 수 있으며 단단한 형성 블록들을 갖고 가능하지 않은 다양한 3-차원 구조들로 조립될 수 있다. 예를 들면, 도 7a 및 도 7b는 점선들을 사용하여 예시된 바와 같이, 나선 형태로 절단되도록 구성되는 마스터 유닛의 하향식 뷰를 예시한다. 점선들은 절단들의 자취(trace)를 나타낸다. 결과적인 기본 유닛은 나선형 기본 유닛으로 불리운다. 도 7c 및 도 7d는 접힌 상태에서의 나선형 기본 유닛들을 예시하며, 도 7e 및 도 7f는 접히지 않은 상태에서의 나선형 기본 유닛들을 예시한다. 나선형 기본 유닛들은 단단한 몸체 블록들을 갖고 가능하지 않은 특정한 구조들을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 7g 및 도 7h는 각각 도 7c 및 도 7d의 나선형 기본 유닛들을 사용하여 형성된 구조들을 예시한다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들은 가압된 또는 감압된 유체에 응답하여 이동하도록 구성되는 연성 로봇 작동기를 형성하기 위해 조립될 수 있다. 특히, 연성 로봇은 가압된 또는 감압된 유체를 수용할 수 있는 유체 채널을 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 유체 채널은 다면체의 면들에 의해 형성된 공동을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 기본 유닛들은 중공 다면체의 면들을 형성할 수 있으며, 중공 다면체의 공동은 다면체의 유체 채널을 형성할 수 있다.

도 8a 내지 도 8e는 몇몇 실시예들에 따른 기본 유닛들을 사용하여 연성 로봇 작동기를 형성하기 위한 메커니즘을 예시한다. 도 8a에 예시된 바와 같이, 연성 로봇 작동기는 1×4 어레이의 커넥터들을 가진 12개의 직사각형 기본 유닛들(810) 및 5×5 어레이의 커넥터들을 가진 2개의 직사각형 기본 유닛들(820)을 포함한다. 이들 기본 유닛들은, 입방체 작동기를 형성하기 위해, 도 8b에 예시된 바와 같이, 5개의 층들로 조립될 수 있다. 예를 들면, 두 개의 5×5 기본 유닛들(820)은 입방체 작동기의 최상부 평면(830) 및 최하부 평면(840)을 형성하며, 최상부 평면(830) 및 최하부 평면(840)은 1×4 기본 유닛들의 3개의 층들을 끼워넣도록 배열되며, 그에 의해 1×4 기본 유닛들의 3개의 층들에 의해 형성된 외부 벽을 가진 입방체 작동기를 형성한다. 결과적인 구조는 가압 또는 감압을 위한 유체 채널로서 작용할 수 있는 보이드 공간(즉, 공동)을 가운데에 가진다.

도 8c 내지 도 8e는 각각 그것의 휴지 상태에, 가압된 상태에, 및 감압된 상태에 있는 입방체 작동기의 형태를 도시한다. 그것의 휴지 상태에서, 입방체 작동기는 입방체로서, 즉 도 8b에 따라 성형된다. 가압된 또는 감압된 유체는 도 8c 내지 도 8e에 예시된 바와 같이, 유체 유입구(850)를 통해 입방체의 공동에 제공될 수 있다. 도 8d에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기는 보이드 공간이 유체 유입구(850)를 통해 가압될 때 팽창할 수 있으며, 도 8e에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기는 보이드 공간이 유체 유입구(850)를 통해 감압될 때(즉, 음으로 가압) 수축할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 보이드 공간은 공압 펌프에 유체 유입구(850)를 결합함으로써 외부적으로 가압되거나 또는 감압될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 유체 유입구(850)는 좁을 수 있으며 입방체 작동기를 형성한 벽들은 가요성일 수 있다. 이러한 식으로, 어떤 외부 압력도 인가되지 않을 때, 공압 채널이 잠긴다(예로서, 폐쇄된다).

몇몇 경우들에서, 작동기의 기본 유닛들 사이에 기밀 연결들을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 기본 유닛들을 사용하여 형성된, 모듈식 연성 로봇의 특정한 부분들이 유체 채널을 포함할 때, 기본 유닛들 사이에서의 갭으로 인해 유체 채널 또는 공기 유입으로부터 유체 채널로의 공기 누출을 제한하는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들 사이에서의 기밀 연결들은 기본 유닛들을 물리적으로 함께 결합하는 접착제 형 재료를 사용하여 형성될 수 있다. 접착제 형 재료는 액상 PDMS 프리폴리머 또는 액상 에코플렉스 프리폴리머일 수 있다.

도 8c 내지 도 8e에 예시된 바와 같이, 기본 유닛들 모두가 에코플렉스와 같은, 동일한 재료로 만들어질 때, 입방체 작동기는 가압시 회전 타원체로 팽창하도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 모듈식 연성 로봇은 가압으로 인한 팽창의 방향 및 크기가 제어되도록 설계될 수 있다. 팽창의 방향 및 크기는 상이한 변형 특성들(즉, 상이한 영 계수들)을 가진 기본 유닛들을 사용하여 로봇들을 형성함으로써 제어될 수 있다.

도 9a 내지 도 9e는 몇몇 실시예들에 따른 이방성 작동을 보이도록 구성된 연성 로봇 작동기를 예시한다. 이방성 입방체 작동기는 상이한 재료들로 만들어진 기본 유닛들을 사용하여 형성될 수 있다. 도 9a에 예시된 바와 같이, 예시적인 이방성 입방체 작동기는 에코플렉스와 같은 연성 탄성체에 기초한 기본 유닛들, 및 PDMS와 같은, 비교적 더 견고한 재료에 기초한 기본 유닛들을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 특정한 예에서, 이방성 입방체 작동기는 6개의 1×4 연성 기본 유닛(910), 하나의 5×5 연성 기본 유닛(920), 6개의 1×4 더 견고한 기본 유닛(930), 및 하나의 5×5 더 견고한 기본 유닛(940)을 사용하여 형성된다.

도 9b는 몇몇 실시예들에 따른 이방성 입방체 작동기에서의 기본 유닛들의 배열을 예시한다. 이러한 경우에, 연성 기본 유닛(910)은 또 다른 연성 기본 유닛(910)에 접하며, 더 견고한 기본 유닛(920)은 또 다른 더 견고한 기본 유닛(920)에 접한다. 그러므로, 가압시, 연성 기본 유닛들(910)을 포함한 두 개의 측면들은 더 견고한 기본 유닛들(920)을 포함한 다른 두 개의 측면들보다 더 팽창할 것이다. 유사하게, 감압시, 연성 기본 유닛들(910)을 포함한 두 개의 측면들은 더 견고한 기본 유닛들(920)을 포함한 다른 두 개의 측면들보다 더 수축할 것이다. 또한, 최상위 층(950)은 연성 기본 유닛(930)을 사용하여 형성되며, 최하위 층(960)은 더 견고한 기본 유닛(960)을 사용하여 형성된다. 그러므로, 가압시, 최상위 층(950)은 최하위 층(960)보다 더 팽창하도록 구성된다. 유사하게, 감압시, 최상위 층(950)은 최하위 층(960)보다 더 수축하도록 구성된다. 더 견고한 기본 유닛들은 또한 변형-제한 기본 유닛들로서 불리울 수 있다.

도 9c 내지 도 9e는 각각, 그것의 휴지 상태에, 가압된 상태에, 및 감압된 상태에 있는 이방성 입방체 작동기의 형태를 도시한다. 그것의 휴지 상태에서, 이방성 입방체 작동기는 입방체로서, 즉 도 9b에 따라 성형된다. 감압된 또는 가압된 유체는 유체 유입구(970)를 통해 입방체의 공동에 제공될 수 있다. 도 9d에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기는 보이드 공간이 유체 유입구(970)를 통해 가압될 때 팽창할 수 있으며, 도 9e에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기는 보이드 공간이 유체 유입구(970)를 통해 감압(즉, 음으로 가압된)될 때 수축할 수 있다. 상대적인 강성도에서의 차이 때문에, 연성 기본 유닛을 포함한 측면들은 변형-제한 기본 유닛을 포함한 측면들보다 더 팽창하거나 또는 수축할 수 있으며, 그에 의해 이방성 팽창 또는 수축을 제공한다.

도 10a 내지 도 10e는 몇몇 실시예들에 따른 또 다른 클래스의 이방성 연성 로봇 작동기를 예시한다. 도 10a에 예시된 바와 같이, 예시적인 이방성 입방체 작동기는 에코플렉스와 같은 연성 탄성체에 기초한 기본 유닛들 및 PDMS와 같은 비교적 더 견고한 재료에 기초한 기본 유닛들을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 특정한 예에서, 이방성 입방체 작동기는 8개의 1×4 연성 기본 유닛(1010), 4개의 1×4 더 견고한 기본 유닛(1020), 및 두 개의 5×5 더 견고한 기본 유닛(1030)을 사용하여 형성된다.

도 10b는 몇몇 실시예들에 따른 이방성 입방체 작동기에서의 기본 유닛들의 배열을 예시한다. 이 경우에, 기본 유닛들의 단일 층은 단지 단일 유형의 기본 유닛만을 포함한다. 예를 들면, 작동기의 층 2는 단지 연성 기본 유닛(1010)을 포함하고, 작동기의 층 3은 단지 더 견고한 기본 유닛(1020)을 포함하며, 최상위 층(1040) 및 최하위 층(1050)은 더 견고한 기본 유닛(1030)을 포함한다. 그러므로, 가압시, 연성 기본 유닛들(1010)을 포함한 층들은 더 견고한 기본 유닛들(1020)을 포함한 다른 층들보다 더 팽창할 것이며, 그에 의해 이방성 팽창을 제공한다. 유사하게, 수축시, 연성 기본 유닛들(1010)을 포함한 층들은 더 견고한 기본 유닛들(1020)을 포함한 다른 층들보다 더 수축할 것이며, 그에 의해 이방성 수축을 제공한다.

도 10c 내지 도 10e는 각각 그것의 휴지 상태에, 가압된 상태에, 및 감압된 상태에 있는 이방성 입방체 작동기의 형태를 도시한다. 그것의 휴지 상태에서, 이방성 입방체 작동기는 입방체로서, 즉 도 10b에 따라 성형된다. 가압된 또는 감압된 유체는 유체 유입구(1060)를 통해 입방체의 공동에 제공될 수 있다. 도 10d에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기는 보이드 공간이 유체 유입구(1060)를 통해 가압될 때 팽창할 수 있으며, 도 10e에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기는 보이드 공간이 유체 유입구(1060)를 통해 감압(즉, 음으로 가압)될 때 수축할 수 있다. 상대적인 강성도에서의 차이 때문에, 연성 기본 유닛을 포함한 측면들은 변형-제한 기본 유닛을 포함한 측면들보다 더 팽창하거나 또는 수축할 수 있으며, 그에 의해 이방성 팽창 또는 수축을 제공한다.

기본 유닛들을 형성하기 위해 사용될 수 있는 재료들의 리스트는 라텍스, 우레탄들, 폴리우레탄들, 실리콘들, 가황 또는 가교 고무, 종이, Kevlarⓒ, 면, 나일론, 탄소와 같은 직물들과 같은 탄성체들을 포함한다. 재료 조합들의 대표적인 리스트가 표 1에 도시된다. 각각의 조합은 작동시 가변적인 굽힘도를 제공하며, 여기에서 동일한 채널 재료에 대한 굽힘도는 변형 리미터의 탄성률에서의 차이가 증가함에 따라, 예로서 변형 제한 층에서 보다 큰 수축 또는 보다 작은 곡률 반경을 증가시킨다. 다른 재료들 및 재료 조합들이 이 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

연성 기본 유닛		변형 제한 기본 유닛
재료	영 계수(kPa)	재료	영 계수
에코플렉스ⓒ 실리콘	~ 40	PDMS	~ 400 kPa
에코플렉스ⓒ 실리콘	~ 40	종이	> 10GPa
에코플렉스ⓒ 실리콘	~ 40	플라스틱 시트	LPDE에 대해 ~ 0.2GPa PET에 대해 ~ 3GPa
에코플렉스ⓒ 실리콘	~ 40	짜여진 섬유 그물망 (직물)	Kevlar에 대해 >70 GPa
PDMS	~ 400	종이	> 10GPa

기본 유닛들에 대한 재료들의 선택은 모듈식 로봇의 내부 채널에 인가된 압력에 대한 모듈식 로봇의 응답을 결정할 수 있다. 작동의 특정한 진폭을 달성하기 위해 필요한 압력은 재료들의 강성도에 따라 스케일링한다. 각각의 조합은, 작동시, 구부러짐에서의 상이한 행동을 제공한다: 동일한 채널 기하학적 구조에 대해, 구부러짐은 탄성체 및 변형 제한 직물(또는 층) 사이에서의 탄성률에서의 차이가 증가함에 따라 증가한다. 재료 선택들의 효과들은, 그것들이 쉽게 액세스 가능하고, 함께 작업하기 용이하고, 다층 구조들을 형성하기 위해 서로 잘 결합하며, 비교적 값비싸기 때문에, 두 개의 실리콘 탄성체들(폴리디메틸실록산(PDMS, 다우 코닝 Sylgard 184) 및 에코플렉스 00-30(스무스-온에 의해 생산된 실록산; http://www.smooth-on.com))에 대하여 입증된다. 그러나, 다른 적절한 재료 조합들이 쉽게 명백할 것이다. PDMS는 투명하며 50의 Shore A 경도를 가진다. 그것은 탄력이 있으며 반복된 구부러짐을 견딜 수 있지만, 150%의 최대 변형 이상에서 파열된다. 그 결과, PDMS는 제한된 범위의 변형을 가지며, 구조의 보다 단단한 부분들 - 구부리지만 신장되지 않는 부분들에 적합하다. PDMS는 가요성 구성요소로서, 표 1에 주지된 바와 같이, 종이와 같은 더 견고한 재료들과 조합하여 사용될 수 있다. 에코플렉스 실리콘은 반투명하며 Shore A 척도 이하의 경도를 가진다. 그것은 900%의 최대 변형 이상에서 파열되고; 그것은 PDMS보다 더 가요성이며, 그러므로, 그것은 보다 큰 변형들/변위들(즉, 작동의 층들)을 가진 구성요소들에 적합하다. 그것은 매우 연성이기 때문에, 에코플렉스 실리콘은, 지원되지 않는다면, 그 자신의 무게 하에서 구부러질 것이다(PDMS, 훨씬 더 그렇다). PDMS 및 에코플렉스 실리콘의 층들을 포함한, 복합 구조들은 원하는 기능을 위한 에코플렉스 실리콘의 가요성과 PDMS의 강성율의 균형을 이룬다.

다른 실시예들에서, 대안적인 재료들이 기본 유닛들의 제작에 유용하다. 더 강격한 재료로서 종이, 옷감들, 탄소-, 유리- 또는 금속 섬유를 사용한 복합재들이 가능하다. 다른 실시예들에서, 강성도가 기본 유닛에 보강제를 도입함으로써 기본 유닛에 도입된다. 다른 실시예들에서, 기본 유닛은 그것의 강성도를 증가시키기 위해 화학적으로 처리될 수 있다. 예로서, 탄성 가요성 폴리머가 폴리머 전구체 용액에 함침될 수 있으며, 이것은 그 후 더 견고한 폴리머를 형성하기 위해 미리 결정된 패턴으로 경화된다.

도 11a 내지 도 11g는 또한 가압으로 인한 팽창의 방향 및 크기가 상이한 변형 특성을 가진 기본 유닛들을 사용함으로써 제어될 수 있음을 예시한다. 이러한 도면에서, 입방체 작동기는 몇몇 실시예들에 따라, 도 2에 대하여 개시된 바와 같이, 횡 커넥터들을 가진 기본 유닛들을 사용하여 형성된다. 이 예에서, 입방체 작동기는 단일 테이퍼 주먹장 커넥터들을 가진 6개의 기본 유닛들을 포함한다. 도 11에서의 각각의 도면은 각각의 기본 유닛을 위해 사용된 재료를 예시하는 개략도를 포함한다(PDMS는 해칭되며 에코플렉스는 백색이다). 음의 압력 하에서의 작동기가 사진들의 좌측 컬럼에 도시되며 양의 압력 하에서의 작동기는 사진들의 우측 컬럼에 도시된다. 각각의 도면은 또한 작동기의 전방의 및 최하부에서 작동기의 측면의 사진들을 도시한다. 스케일을 위해, 입방체들의 에지들은 모두 4.5 cm이다. 작동은 ~ 1.5 psi의 양의 압력(대기에 대하여) 또는 ~ -5 psi의 음의 압력(대기에 대하여)을 사용하여 달성되었다.

도 11a는 기본 유닛들 모두가 동일한 재료(예로서, Ecoflex)로 만들어질 때, 입방체 작동기의 팽창이 등방성임을 도시한다. 그러나, 도 11b 내지 도 11g는 입방체 작동기의 팽창이 몇몇 기본 유닛들의 재료를 변경함으로써 이방성으로 만들어질 수 있음을 예시한다. 이것은 가압된 또는 감압된 작동기들의 형태가 기본 유닛들을 위해 사용된 재료의 유형의 기능임을 예시한다.

조립된 작동기들은 직사각형 형태들에 제한되지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 임의의 형태들을 가진 연성 로봇들은 직사각형 기본 유닛들로부터 조립될 수 있다. 도 12a 내지 도 12e는 몇몇 실시예들에 따른 직사각형 유닛들로부터 조립된 프리즘-형 작동기를 예시한다. 도 12a에 예시된 바와 같이, 프리즘-형 작동기는 1×3, 1×4, 1×5, 및 1×6 어레이의 커넥터들을 가진 직사각형 기본 유닛들로부터 조립될 수 있다. 도 12b에 예시된 바와 같이, 기본 유닛들은 층들로 조립될 수 있으며, 여기에서 각각의 층은 일 측면 손실을 가진 정사각형이다. 도 12c에 예시된 바와 같이, 층들은 벽들의 일 측면이 손실된 정사각형 원통(1210)을 형성하기 위해 적층될 수 있다. 그 다음에, 도 12d에 예시된 바와 같이, 원통(1210)은 휘어지며 또한, 직사각형 기본 유닛들을 사용하여 형성된, 두 개의 층들(1220, 1230) 사이에 끼워 넣어질 수 있다. 이러한 단계는 강성 블록들이 상이한 형태의 층들(1220, 1230)에 맞도록 휘어질 수 없기 때문에 단지 연성 기본 유닛들을 사용하여 수행될 수 있다. 도 12e는 가압시 프리즘-형 작동기의 팽창 특성들을 예시한다.

다른 실시예들에서, 임의의 형태들을 가진 연성 로봇들은 임의의 형태들을 가진 기본 유닛들로부터 조립될 수 있다. 도 13a 내지 도 13d는 십자-형 기본 유닛들로부터 조립된, 십자-형 작동기, 및 몇몇 실시예들에 따른 그것의 팽창 특성들의 프로세스를 예시한다. 도 13a는 십자-형 작동기를 위해 사용된 기본 유닛들을 도시한다. 십자-형 작동기는 원하는 형태(이 경우에, 십자-형)를 가진 두 개의 층들(1210) 및 24개의 직사각형 기본 유닛들(1220)을 포함할 수 있다. 도 13b에 예시된 바와 같이, 직사각형 기본 유닛들(1220)은 원하는 형태를 가진 층들(1230)을 형성하도록 배열될 수 있으며, 도 13c에 예시된 바와 같이, 층들(1230)은 최상위 층 및 최하위 층들(1240) 사이에 끼워 넣어질 수 있고, 그에 의해 십자-형 작동기를 생성한다. 도 13d는 가압시 십자-형 작동기의 팽창 특성들을 예시한다.

몇몇 실시예들에서, 임의-형 작동기들에서의 하나 이상의 기본 유닛들은 더 견고한 재료들로 만들어질 수 있으며, 그에 의해 각각 가압 또는 감압시 팽창 또는 수축의 방향을 제어한다. 예를 들면, 도 13d에 예시된 바와 같이, 십자-형 작동기는 가압시 횡 방향으로 팽창하도록 구성되지만, 최상위 층 및 최하위 층이 작동기의 측면들에 비교하여 더 견고한 재료로 만들어지기 때문에 작동기의 최상위 또는 작동기의 최하위 밖으로 팽창하도록 구성되지 않는다.

몇몇 실시예들에서, 다수의 작동기들이 복잡한 연성 로봇을 형성하기 위해 연결될 수 있다. 도 14a 내지 도 14e는 몇몇 실시예들에 따른 커넥터들을 사용하여 둘 이상의 입방체 작동기들을 결합하는 것을 예시한다. 도 14a는 서로 결합될 두 개의 작동기들(1410, 1420)을 예시한다. 두 개의 작동기들(1410, 1420)은 그 사이에 위치된 리세스 커넥터(1430)에 결합할 수 있는 페그 커넥터들을 가진다. 조립된 시스템은 도 14c의 좌측 도면에 예시된다. 이들 두 개의 작동기들(1410, 1420)은 공압 라인을 통해 가압될 수 있다. 공압 라인은 입방체 작동기들(1410, 1420)의 내부 보이드 영역(즉, 공동)에 압력을 제공하기 위한 루어-락(Luer-Lok) 커넥터를 포함할 수 있다. 도 14c의 우측 도면은 작동기들이 가압될 때 조립된 연성 로봇의 형태를 예시한다. 작동기들(1410, 1420)의 가압 상태는 도 14b에서의 표기법을 사용하여 예시될 수 있다. 도 14b에 예시된 바와 같이, 정사각형 박스는 작동기가 가압되지 않음을 표시하고; 십자 박스는 작동기가 음으로 가압됨을 표시하며; 원을 포함한 정사각형 박스는 작동기가 양으로 가압됨을 표시한다. 몇몇 실시예들에서, 로봇에서의 하나 이상의 작동기들은 동시에 작동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 로봇에서의 각각의 작동기는 독립적으로 작동될 수 있다. 따라서, 복잡한 모션을 제공할 수 있는 로봇은 기본 유닛들을 사용하여 형성된 여러 개의 작동기들을 결합함으로써 쉽게 프로토타이핑될 수 있다.

도 14d는 몇몇 실시예들에 따른 3개의 작동기들로부터 구성된 타워를 예시한다. 좌측에서 우측으로, 하향식으로 진행하여, 타워는 음의 압력을 사용하여 무너지며 양의 압력을 사용하여 그것의 전체 크기로 다시 팽창된다. 타워는 페그/리세스 커넥터와 같은, 기계적 커넥터를 사용하여 유리 베이스(1440)에 고정되었다. 도 14e는 몇몇 실시예들에 따라, 그 베이스들이 PDMS에서 제작된 커넥터들을 사용하여 함께 고정되는 3개의 입방체 작동기들의 라인을 예시한다. 하향식으로 진행하면, 조립체는 작동기들에 인가된 양의 압력을 사용하여 아치로 구부려지며 작동기들에 인가된 음의 압력을 사용하여 라인으로 다시 수축된다.

몇몇 실시예들에서, 기본 유닛은 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 도 15a 내지 도 15e는 몇몇 실시예들에 따른 하나 이상의 재료를 가진 기본 유닛들을 사용하여 조립된 입방체 작동기를 예시한다. 도 15a는 입방체에 대한 기본 유닛들을 도시한, 입방체의 개략도를 예시한다. 몇몇 실시예들에서, 기본 유닛들의 에지는 PDMS를 사용하여 형성되며 기본 유닛들의 중심은 에코플렉스를 사용하여 형성된다. 이들 기본 유닛들은 도 15b 및 도 15c에 예시된 바와 같이, 입방체 작동기를 형성하기 위해 조립될 수 있다. 도 15b 및 도 15c는 어떤 인가된 압력 없이 작동기의 투시 및 측면 도들을 예시한다. 입방체가 음의 압력을 갖고 작동될 때, 도 15d에 예시된 바와 같이, 입방체의 형태는 그에 따라 변화한다. PDMS가 에코플렉스와 비교하여 더 높은 강성도를 갖기 때문에, 에코플렉스 부분들은 PDMS 부분들이 온전한 채로 있는 동안 입방체로 빨려 들어가진다. 입방체가 양의 압력을 갖고 작동될 때, 도 15e에 예시된 바와 같이, 입방체의 형태는 상이하게 변화한다. PDMS가 에코플렉스와 비교하여 더 높은 강성도를 갖기 때문에, 에코플렉스 부분들은 PDMS 부분들이 온전한 채로 있는 동안 입방 구조 밖으로 팽창하게 된다.

몇몇 실시예들에서, 모듈식 연성 로봇들은 상이한 재료들로 만들어진 모듈들을 포함할 수 있다. 도 16a 내지 도 16c는 몇몇 실시예들에 따른 다-기능 연성 로봇을 예시한다. 도 16a는 다-기능 연성 로봇의 구성요소들을 도시한다. 다-기능 연성 로봇은 허브 및 작동기들을 포함할 수 있다. 허브는 열가소성과 같은, 단단한 재료로 만들어질 수 있는 반면, 작동기들은 에코플렉스와 같은, 하나 이상의 연성 재료들로 만들어질 수 있다. 도 16b는 허브 및 작동기들을 사용하여 완전히 조립된 연성 로봇을 예시한다. 완전히 조립된 로봇은 도 16c에 예시된 바와 같이, 하나 이상의 작동기들을 가압함으로써 작동될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 작동기들은 동일한 공압 소스에 결합될 수 있으며; 다른 실시예들에서, 작동기들은 별개의 독립적인 공압 소스들에 결합될 수 있다.

도 17a 내지 도 17d는 몇몇 실시예들에 따른 다-채널 작동기를 예시한다. 도 17a는 다-챔버 작동기에서 사용된 기본 유닛들을 예시한다. 도 17b 및 도 17c에 예시된 바와 같이, 두 개의 고체 기본 유닛들(1710)은 다-챔버 작동기의 최상위 및 최하위 층을 형성할 수 있고, 이들 기본 유닛들(1710)은 임의의 홀들을 포함하지 않으며; 홀들(1720)을 가진 기본 유닛들은 중간 층들을 형성할 수 있다. 중간 층들(1720)에서의 홀들(1730)은 작동을 위한 유체 채널들을 형성하도록 정렬될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 최상위 층 및 최하위 층을 형성한, 고체 기본 유닛들(1710)은 중간 층들을 형성한 홀들(1720)을 가진 기본 유닛들에 비교하여 더 견고한 재료로 만들어질 수 있다.

도 17d는 다-챔버 작동기의 다양한 작동 모드들을 예시한다. 블록 유체 채널들이 가압되고; 백색 유체 채널들이 가압되지 않는다. 유체 채널들 중 하나 이상이 미리 결정된 방향으로 및 미리 결정된 크기로 작동기를 구부리기 위해 가압될 수 있다. 예를 들면, 최상위-좌측 유체 채널이 작동될 때, 작동기는 작동기의 다른 측면을 향해 구부릴 것이다(예로서, 도 17d-i를 참조). 또 다른 예로서, 양쪽 최상위 유체 채널들 모두가 작동될 때, 작동기는 아래 방향으로 구부릴 것이다(예로서, 도 17d-ii의 최상위 우측 도면 참조).

몇몇 실시예들에서, 다-채널 작동기에서의 유체 채널들은 유체 채널들 중 두 개가 작동기의 중심 축에 걸쳐 서로 접하도록 서로에 대하여 위치될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 작동기에서의 유체 채널들은 작동기의 중심 축으로부터 등거리일 수 있다. 이러한 구성은 다-채널 작동기가 롤러로서 동작하도록 허용할 수 있다.

도 18a 내지 도 18e는 몇몇 실시예들에 따른 롤링 작동기의 조립체 및 그것의 동작을 예시한다. 도 18a는 롤링 작동기가 더 견고한 재료의 두 개의 층들(1810), 및 연성 재료의 3개의 층들(1820)을 포함할 수 있음을 도시한다. 3개의 층(1820)은 하나 이상의 유체 채널들이 홀들을 정렬시킴으로써 형성될 수 있도록 홀들을 포함할 수 있다. 층들은 도 18c에 예시된 바와 같이 적층될 수 있으며, 도 18d에 예시된 바와 같이 롤링 작동기를 생성한다. 중간 층들(1820)에서의 홀들이 정렬되기 때문에, 롤링 작동기는 4개의 유체 채널들을 포함한다.

도 18e는 몇몇 실시예들에 따른 롤링 작동기의 모션을 예시한다. 공압 채널들 중 하나를 작동시킴으로써, 작동기의 일 부분이 접지 표면에 대하여 팽창될 수 있으며, 이것은 결과적으로 전체 작동기에 대한 롤링 모션을 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 두 개의 인접한 유체 채널들은 롤링 모션의 크기를 개선하기 위해 순차적으로 가압될 수 있다.

상기 예시된 바와 같이, 모듈식 연성 로봇들은 상이한 강성도를 가진 탄성체들의 용이한 조합을 가능하게 할 수 있다. 이러한 능력을 사용하여, 형태-변화 특성들을 가진 다양한 탄성체 구조들이 생성될 수 있다. 이들 형태-변화 특성들은 다른 기술들을 사용하여 실현하기에 어려울 수 있다. 더욱이, 모듈식 연성 로봇들은 압력 레벨이 휴지 상태에서 고-압 상태로 변경됨에 따라 광범위한 형태들을 생성하는 것을 허용한다. 그러므로, 간단히 압력을 제어하며 구조를 위해 사용된 재료들을 제어함으로써, 단일 구조가 휴지 상태 및 팽창 상태 사이에서 다양한 기하학적 구조들을 가능하게 할 수 있다. 이것은 모듈식 연성 로봇들이 복잡한 형태들을 제조하기 위한 기능적 몰드들로서 사용될 수 있음을 의미한다. 예를 들면, 이들 구조들의 내부 또는 외부 벽들을 코팅함으로써, 임의의 원하는 가압 상태에서, 모듈식 연성 로봇들의 복잡한 형태가 열가소성과 같은, 단단한 재료들을 사용하여 복제될 수 있다. 이러한 전략은 플라스틱 구성요소들 또는 심지어, 성형된 초콜릿과 같이, 신규 음식들을 제조하는데 유용할 수 있다.

본 개시는 알서 말한 예시적인 실시예들에서 설명되고 예시되었지만, 본 개시는 단지 예로서 이루어졌으며, 개시의 구현의 세부사항들에서의 다수의 변화들이, 단지 이어지는 청구항들에 의해서만 제한되는, 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해된다. 다른 실시예들이 다음의 청구항들 내에 있다. 예를 들면, 개시된 실시예들은 매크로-스케일 모듈식 연성 로봇들에 초점을 맞추었지만, 유사한 설계들이 마이크로-스케일 로봇들을 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 작은 기본 유닛들이 미세유체 디바이스들을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

Claims

연성 로봇 작동기에 있어서,
복수의 몰딩된 가요성 유닛들을 포함한 가요성 작동기로서, 각각의 몰딩된 가요성 유닛은 또 다른 몰딩된 가요성 유닛에 결합하도록 구성된 기계적 커넥터를 포함하고, 상기 복수의 결합된 몰딩된 가요성 유닛들은 유체 챔버를 정의하도록 배열되는, 상기 가요성 작동기; 및
상기 유체 채널에 결합된 유입구로서, 상기 유입구는 상기 가요성 작동기의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 가압된 유체 소스 또는 감압된 유체 소스에 유체 채널을 결합시키도록 구성되는, 상기 유입구를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 각각의 몰딩된 가요성 유닛은 수 기계적 커넥터 및 암 기계적 커넥터를 포함하며, 제 1 몰딩된 가요성 유닛의 상기 수 기계적 커넥터는 제 2 몰딩된 가요성 유닛의 상기 암 기계적 커넥터에 결합하도록 구성되는, 연성 로봇 작동기.
청구항 2에 있어서,
상기 수 기계적 커넥터는 페그를 포함하며 상기 암 기계적 커넥터는 리세스를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 2에 있어서,
상기 기계적 커넥터는 단일 횡 방향을 따라 인장 변형에 대한 저항을 제공하도록 구성된 단일 테이퍼 주먹장 접합부를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 2에 있어서,
상기 기계적 커넥터는 두 개의 방향을 따라 인장 변형에 대한 저항을 제공하도록 구성된 이중 테이퍼 주먹장 접합부를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나는 이종 재료를 포함하며, 또한 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 상기 하나 상에서의 상기 기계적 커넥터는 그 몸체의 것에 비교하여 더 견고한 재료를 사용하여 형성되는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들은 상기 가요성 작동기를 형성하기 위해 서로의 최상부 상에 적층되는, 연성 로봇 작동기.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나 이상은 홀들을 포함하며, 상기 홀들은 상기 유체 채널을 형성하도록 정렬되는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들 중 일부는 서로에 수직으로 배열되며, 그에 의해 입방체 작동기를 형성하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 기계적 커넥터는 상기 몰딩된 가요성 유닛의 에지를 따라 위치되며, 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 적어도 두 개는 상기 몰딩된 가요성 유닛들의 상기 에지를 따라 위치된 상기 기계적 커넥터를 사용하여 서로 결합되는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나는 절단 공구를 사용하여 절단되는 몰딩된 블록의 일 부분을 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 11에 있어서,
상기 절단 공구는 면도날, 나이프, 및 가위 중 하나를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 몰딩된 가요성 유닛들은 제 1 몰딩된 가요성 유닛 및 제 2 몰딩된 가요성 유닛을 포함하며, 상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛은 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛에 비교하여 덜 견고하고, 상기 유체 채널의 가압 또는 감압시, 상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛은 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛보다 더 팽창하도록 구성되는, 연성 로봇 작동기.
청구항 13에 있어서,
상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛 및 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛은 상기 유체 채널의 측벽을 포함하며, 그에 의해 가압 또는 감압시 팽창의 방향 및 크기의 제어를 제공하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 13에 있어서,
상기 제 1 몰딩된 가요성 유닛은 상기 제 2 몰딩된 가요성 유닛의 최상부 상에 적층되며, 그에 의해 가압 또는 감압시 상기 유체 채널을 따라 팽창의 위치 및 크기의 제어를 제공하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 몰딩된 가요성 유닛 중 하나는 정사각형-형태를 갖는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
두 개의 몰딩된 가요성 유닛들 사이에 기밀 결합을 형성하기 위해 상기 두 개의 몰딩된 가요성 유닛들 사이에 접착제를 더 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 17에 있어서,
상기 접착제는 폴리디메틸실록산 프리폴리머를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 17에 있어서,
상기 접착제는 액상 에코플렉스(Ecoflex) 프리폴리머를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
청구항 1에 있어서,
상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나의 일 부분은 가압 또는 감압시 팽창 또는 수축하지 않도록 구성되는 강성 재료(stiff material)를 포함하는, 연성 로봇 작동기.
모듈식 연성 로봇에 있어서,
청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 따른 복수의 연성 로봇 작동기들; 및
상기 복수의 연성 로봇 작동기들의 상기 유입구들에 결합된 유체 유입구로서, 상기 유체 유입구는 가압된 또는 감압된 유체를 수용 및 상기 복수의 연성 로봇 작동기들의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 상기 복수의 연성 로봇 작동기들의 상기 유입구들에 상기 수용된 유체를 제공하도록 구성되는, 상기 유체 유입구를 포함하는, 모듈식 연성 로봇.
연성 로봇 작동기를 형성하는 방법에 있어서,
또 다른 가요성 기본 유닛에 대한 물리적 결합을 제공하도록 구성된 기계적 커넥터를 포함한 복수의 가요성 기본 유닛들을 제공하는 단계;
내장된 유체 채널을 가진 가요성 작동기를 형성하도록 상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계; 및
상기 내장된 유체 채널에 결합된 유입구를 제공하는 단계로서, 상기 유입구는 상기 가요성 작동기의 일 부분을 팽창 또는 수축시키기 위해 가압된 또는 감압된 유체를 수용하도록 구성되고, 그에 의해 상기 가요성 작동기의 작동을 야기하는, 상기 유입구 제공 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 22에 있어서,
상기 기계적 커넥터는 수 기계적 커넥터 및 암 기계적 커넥터를 포함하며, 제 1 가요성 기본 유닛의 상기 수 기계적 커넥터는 제 2 가요성 기본 유닛의 상기 암 기계적 커넥터에 결합하도록 구성되는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 23에 있어서,
상기 수 기계적 커넥터는 페그를 포함하며 상기 암 기계적 커넥터는 리세스를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 23에 있어서,
상기 기계적 커넥터는 단일 횡 방향을 따라 인장 변형을 제공하도록 구성된 단일 테이퍼 주먹장 접합부를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 23에 있어서,
상기 기계적 커넥터는 두 개의 방향들을 따라 인장 변형을 제공하도록 구성된 이중 테이퍼 주먹장 접합부를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 23에 있어서,
상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나는 이종 재료를 포함하며, 또한 상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 상기 하나 상에서의 상기 기계적 커넥터는 그 몸체의 것에 비교하여 더 견고한 재료를 사용하여 형성되는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 26에 있어서,
상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계는 상기 가요성 작동기를 형성하기 위해 상기 가요성 기본 유닛들 중 하나를 상기 가요성 기본 유닛들 중 또 다른 것의 최상부 상에 적층하는 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 28에 있어서,
상기 복수의 가요성 기본 유닛들 중 하나 이상은 홀들을 포함하며, 또한 상기 방법은 상기 유체 채널을 형성하기 위해 상기 홀들을 정렬시키는 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 26에 있어서,
상기 복수의 가요성 기본 유닛들은 제 1 가요성 기본 유닛 및 제 2 가요성 기본 유닛을 포함하며, 상기 제 1 가요성 기본 유닛은 상기 제 2 가요성 기본 유닛에 비교하여 덜 견고하고, 상기 유체 채널의 가압 또는 감압시, 상기 제 1 가요성 기본 유닛은 상기 제 2 가요성 기본 유닛보다 더 팽창하도록 구성되는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 30에 있어서,
상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계는 상기 유체 채널의 측벽으로서 상기 제 1 가요성 기본 유닛 및 상기 제 2 가요성 유닛을 배열하는 단계와, 그에 의해 가압 또는 감압시 팽창의 방향 및 크기의 제어를 제공하는 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 30에 있어서,
상기 복수의 가요성 기본 유닛들을 배열하는 단계는 상기 제 2 가요성 유닛과 상기 제 1 가요성 기본 유닛을 적층시키는 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 23에 있어서,
두 개의 가요성 기본 유닛들 사이에 기밀 결합을 형성하기 위해 상기 두 개의 가요성 기본 유닛들 사이에 접착제를 제공하는 단계를 더 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 33에 있어서,
상기 접착제는 폴리디메틸실록산 프리폴리머를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 33에 있어서,
상기 접착제는 액상 에코플렉스 프리폴리머를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 22에 있어서,
상기 몰딩된 가요성 유닛들 중 하나의 일 부분은 가압 또는 감압시 팽창 또는 수축하지 않도록 구성되는 강성 재료(stiff material)를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 22에 있어서,
복수의 가요성 기본 유닛들을 제공하는 단계는 절단 공구를 사용하여, 몰딩된 블록으로부터 상기 복수의 가요성 기본 유닛들 중 하나를 절단하는 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
청구항 37에 있어서,
상기 절단 공구는 면도날, 나이프, 및 가위 중 하나를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 형성하는 방법.
연성 로봇 작동기를 작동시키는 방법에 있어서,
청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 따른 연성 로봇 작동기를 제공하는 단계;
상기 연성 로봇 작동기의 벽의 팽창을 야기하기 위해 상기 연성 로봇 작동기의 상기 유입구에 가압된 또는 감압된 유체를 제공하고, 그에 의해 상기 연성 로봇 작동기의 작동을 야기하는 단계를 포함하는, 연성 로봇 작동기를 작동시키는 방법.