KR20180066355A - 관형 소프트 액추에이터 - Google Patents

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KR20180066355A KR1020160166575A KR20160166575A KR20180066355A KR 20180066355 A KR20180066355 A KR 20180066355A KR 1020160166575 A KR1020160166575 A KR 1020160166575A KR 20160166575 A KR20160166575 A KR 20160166575A KR 20180066355 A KR20180066355 A KR 20180066355A
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Abstract

본 발명은 꼬임 및 코일링이 형성된 제1 섬유와, 꼬임 및 코일링이 형성되어 상기 제1 섬유와 이격된 상태를 유지하며 상기 제1 섬유를 환요하는 제2 섬유가 단위체로 구성되는 구동부; 및 중공이 형성되고, 상기 중공에 상기 단위체가 관입된 구동 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터를 개시한다.
본 발명은 호모키랄(homochiral) 섬유와 헤테로키랄(heterochiral) 섬유로 구성된 단위체를 포함하는 구동부와 구동부가 관입된 구동 케이블을 통해 굽힘 구동뿐 아니라 인장, 압축, 회전이 가능한 소프트 액추에이터를 구현할 수 있는 이점이 있다.

Description

관형 소프트 액추에이터{TUBE SHAPED SOFT ACTUATOR}
본 발명은 인장, 압축, 굽힘, 회전 구동이 가능한 소프트 액추에이터에 관한 것이다.
액추에이터는 동력을 이용하여 기계를 동작시키는 구동 장치를 뜻한다. 액추에이터는 메카트로닉스 분야에서 어떤 종류의 제어 기구를 갖고 있는 전기 모터 혹은 유압이나 공기압으로 작동하는 피스톤 또는 실린더 기구를 지칭할 수 있다. 한편, 최근에는 신소재를 이용하여 인공 근육에 적용되는 소프트 액추에이터 또는 초소형 액추에이터 등이 개발되고 있다.
액추에이터는 카테터의 구동에 활용될 수 있다. 카테터는 관 모양기구의 일반적 명칭의 하나이고, 용도에 따라 다양한 재질, 크기, 형태가 존재한다. 카테터의 용도는 체강이나 각종 기관 내의 저류물의 배출, 세정용 관류액의 흡인, 심혈행 동태나 중심정맥압 등의 측정, 약물이나 조영제의 체내 주입 등이 있다.
또한, 액추에이터는 내시경의 구동에 활용될 수 있다. 내시경은 수술을 하거나 부검을 하지 않고서는 병변을 직접 볼 수 없는 장기에 대하여 기계를 삽입하여 관찰하도록 고안된 기구이다. 일반적으로 사용되는 종류로는 기관지경, 식도경, 위경, 십이지장경, 직장경, 방광경, 복강경 등이 있다. 그 밖에 특수한 것으로는 흉강경, 종격경, 심장경 등이 있다. 특히, 내시경에는 직달경이라 하여 1개의 통으로 되어 있어서 장기를 직접 육안으로 볼 수 있는 형태, 렌즈시스템을 이용한 형태, 카메라를 직접 장기에 삽입하는 형태, 유리섬유를 사용한 파이버스코프 등이 있다. 위카메라는 위 안으로 소형 카메라를 삽입하여 직접 위의 점막을 촬영 및 기록하여 미세한 위의 병변을 발견 및 진단할 수 있다. 또한, 위 파이버스코프는 해상력이 좋고, 점막상태를 관찰하면서 병변부 조직을 절단하여 검사할 수 있는 장치도 부착시킬 수 있다.
이러한 관형 장치의 액추에이터는 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 대표적으로 바이메탈 방법에 의한 방법이 있다. 바이메탈 방법은 열에 의하여 팽창하는 정도가 다른 두 종류의 얇은 금속판을 맞붙여 놓은 금속에 의한 방법을 응용하여 폴리실리콘으로 이루어진 전류 통로가 매설되어 있는
Figure pat00001
층(절연층) 위에 메탈층이 증착되어 있는 형태가 주를 이룬다. 이때,
Figure pat00002
층(절연층)과 메탈층의 열팽창률이 다르므로, 열 마이크로 구동기에 전압을 인가하면 열팽창률이 작은 측으로 변위가 발생하여 휘어지는 방식으로 구동한다.
또한, 다른 방식의 액추에이터로 차동저항 방식이 있다. 차동저항 방식은 주로 단일소재인 폴리실리콘으로 만들어진다. 차동저항 방식 구동기는 전압이 인가되는 전극을 가지는 고온부와 저온부로 구성된다. 고온부는 단면적이 작고, 저온부는 단면적이 크게 설계되며, 전극이 있는 측의 반대측 끝부분끼리 서로 연결되도록 구성된다. 이때, 차동저항 방식 구동기의 연결되지 않은 고온부와 저온부의 전극에 전압을 인가하면, 전류가 고온부와 저온부를 포함하는 경로로 흐르게 된다. 이에 따라, 고온부와 저온부의 단면적의 차에 의한 저항차이를 통해 서로 다른 줄열이 발생하고, 결과적으로 고온부와 저온부에 온도차가 발생한다. 차동저항 방식 구동기는 온도차에 의해 열 팽창량의 차가 발생하여, 고온부 측에서 저온부 측으로 휘도록 변위가 발생하는 방식으로 구동한다.
한편, 액추에이터와 관련된 종래기술로서 대한민국 등록특허 대한민국 등록특허 제10-0789268호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 "마이크로 구동기, 이에 직접 형성된 마이크로 미러, 열마이크로 구동기를 이용한 마이크로 미러 구동기구, 및 이를 이용한 광 스위치"를 개시한다. 다만, 선행기술은 고온부 및 저온부의 팽창율에 따라 구동하는 구동기를 개시함에 따라 그 구동방향이 단일축을 기준으로 양방향으로 굽혀지는 구동으로 제한되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0789268호
본 발명의 목적은 구동기가 포함된 관형 장치의 굽힘, 인장, 압축 및 회전 구동을 구현하기 위한 소프트 액추에이터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 꼬임 및 코일링이 형성된 제1 섬유와, 꼬임 및 코일링이 형성되어 상기 제1 섬유와 이격된 상태를 유지하며 상기 제1 섬유를 환요하는 제2 섬유가 단위체로 구성되는 구동부; 및 중공이 형성되고, 상기 중공에 상기 단위체가 관입된 구동 케이블을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 구동부는, 상기 제1 섬유 또는 상기 제2 섬유 중 어느 한 섬유가 꼬임과 코일링의 방향이 동일하게 형성된 호모키랄(homochiral) 섬유이고, 다른 섬유가 꼬임과 코일링의 방향이 상이하게 형성된 헤테로키랄(heterochiral) 섬유일 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 인가된 전류로 발열하는 전열체를 포함하고, 상기 전열체는 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유에 열에너지를 전달할 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 상기 단위체를 구성하는 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유가 가열 또는 냉각된 경우, 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유는 수축 또는 팽창 중 서로 상이하게 구동할 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 상기 단위체를 복수개 포함하고, 상기 구동 케이블은, 상기 단위체의 개수에 대응되는 중공이 복수개 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 구동부는, 복수개인 상기 단위체의 구동이 독립적으로 제어되어 상기 구동 케이블의 인장, 압축, 굽힘, 회전 구동을 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 호모키랄(homochiral) 섬유와 헤테로키랄(heterochiral) 섬유로 구성된 단위체를 포함하는 구동부와 구동부가 관입된 구동 케이블을 통해 굽힘 구동뿐 아니라 인장, 압축, 회전이 가능한 소프트 액추에이터를 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 위와 같은 소프트 액추에이터는 크기를 제한하지 않고 적용됨으로써 혈관 이동 로봇, 소프트 로봇의 구동기, 물체를 그리핑 하는 그리퍼 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유의 꼬임을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유의 코일링을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유 중 호모(homochiral) 섬유를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 섬유 중 헤테로(heterochiral) 섬유를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 구동부를 구성하는 단위체를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 압축 또는 인장을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 굽힘을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터의 회전을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11) 및 구동 케이블(13)을 포함할 수 있다.
소프트 액추에이터(1)는 꼬임 및 코일링이 형성된 제1 섬유(1101)와, 꼬임 및 코일링이 형성되어 제1 섬유(1101)와 이격된 상태를 유지하며 제1 섬유(1101)를 환요하는 제2 섬유(1103)가 단위체(110)로 구성되는 구동부(11); 및 중공이 형성되고, 중공에 단위체(110)가 관입된 구동 케이블(13)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)는 제1 섬유(1101)가 제2 섬유(1103)보다 작은 코일링 반경을 가지며, 제2 섬유(1103)가 제1 섬유(1101)를 에워싼 형태로 단위체(110)를 구성할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)는 구동부(11)가 구동 케이블(13)에 관입되어 소프트 액추에이터(1)의 구동을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유의 꼬임을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 1차적으로 꼬인 형태를 취함을 확인할 수 있다. 이처럼, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유에 꼬임을 부여하는 방법은 일단을 고정하고 타단을 회전하거나, 양단을 회전하는 방법이 채택될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유의 꼬임 방향은 그 자체로 소프트 액추에이터(1)의 구동에 영향을 주지 않으며, 하기에 서술하게 될 코일링 방향과 꼬임 방향이 갖는 관계를 통해 섬유의 특성이 정해질 수 있다. 또한, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유의 직경 및 크기는 제한되지 않으며, 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)의 직경 및 크기는 서로 상이할 수 있다.
본 실시예에서, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 나일론, 형상 기억 폴리우레탄, 폴리에틸렌 및 고무 등의 고분자재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. 소프트 액추에이터(1)를 구성하는 섬유는 고분자 재료를 사용함으로써, 고온에서도 소프트 액추에이터(1)의 풀림 및 다시 꼬이는 가역적인 구조를 장기간 유지할 수 있다. 또한, 소프트 액추에이터(1)를 구성하는 섬유는 가열에 의한 변화뿐 아니라 냉각에 의한 변화가 가능하기 때문에 다시 초기 꼬인 형태로 돌아가는 가역적인 회전운동을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유의 코일링을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 꼬여진 상태에서 코일링의 형태가 추가적으로 형성된 구조로 제공될 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유가 이루는 코일링의 방향은 섬유가 이루는 꼬임의 방향과 동일하거나 상이할 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유에 코일링을 부여하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.
예를 들면, 섬유의 일단을 고정하고 섬유의 타단을 회전함으로써 코일링을 부여할 수 있으며, 섬유로 파이프를 감음으로써 코일링을 부여할 수 있다. 섬유는 꼬임과 코일링을 동시에 가짐으로써 가열 및 냉각에 의한 구동력이 강해지고, 꼬임과 코일링이 취하는 방향에 따라 섬유의 특성이 달라질 수 있다. 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유는 꼬임과 코일링을 통해 섬유의 부피를 다양하게 변화시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유 중 호모키랄(homochiral) 섬유를 나타낸다.
호모키랄 섬유는 꼬임 방향과 코일링 방향이 같은 경우의 섬유를 지칭함을 알 수 있다. 호모키랄 섬유는 가열됨에 따라 수축하고, 냉각됨에 따라 팽창할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 섬유 중 헤테로키랄(heterochiral) 섬유를 나타낸다.
헤테로키랄 섬유는 꼬임 방향과 코일링 방향이 반대인 경우의 섬유를 지칭함을 알 수 있다. 헤테로키랄 섬유는 호모키랄 섬유와 반대로 구동할 수 있다. 헤테로키랄 섬유는 가열되는 경우 팽창하고, 냉각되는 경우 수축할 수 있다.
구동부(11)는 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103) 중 어느 한 섬유가 꼬임과 코일링의 방향이 동일하게 형성된 호모키랄(homochiral) 섬유이고, 다른 섬유가 꼬임과 코일링의 방향이 상이하게 형성된 헤테로키랄(heterochiral) 섬유일 수 있다.
본 실시예에서, 구동부(11)는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 상이한 구조의 섬유로 구비되어 동일한 열에너지에 의해 상이한 구동이 구현될 수 있다. 제1 섬유(1101)는 호모키랄 섬유로 구비될 수 있다. 이때, 제2 섬유(1103)는 헤테로키랄 섬유로 구비되어 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)는 상이한 구조로 구비됨에 주목한다. 또한, 제1 섬유(1101)는 헤테로키랄 섬유로 구비될 수 있다. 이때, 제2 섬유(1103)는 호모키랄 섬유로 구비되어 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)는 상이한 구조로 구비됨에 주목한다.
구동부(11)는 인가된 전류로 발열하는 전열체(미도시)를 포함하고, 전열체(미도시)는 제1 섬유(1101)와 상기 제2 섬유(1103)에 열에너지를 전달할 수 있다.
본 실시예에서, 구동부(11)는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 꼬임 및 코일링이 형성되는 과정에서 전기 에너지를 열에너지로 변환하는 전열체(미도시)가 포함될 수 있다. 전열체(미도시)는 전열선 또는 전열코팅 등의 형태로 구동부(11)에 포함될 수 있다. 전열체(미도시)는 제1 섬유(1101) 및 제2 섬유(1103)를 가열할 수 있다. 전열체(미도시)는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)에 개별적으로 연결되어 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)를 독립적으로 가열할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 구동부(11)를 구성하는 단위체(110)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 단면도이다.
구동부(11)는 단위체(110)를 구성하는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 가열 또는 냉각된 경우, 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)는 수축 또는 팽창 중 서로 상이한 구동을 할 수 있다.
본 실시예에서, 구동부(11)는 단위체(110)를 구성하는 제1 섬유(1101)가 가열시 수축될 수 있다. 이때, 구동부(11)는 단위체(110)를 구성하는 제2 섬유(1103)가 가열시 팽창되어 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 동일한 열에너지를 공급받는 경우 상이한 구동을 할 수 있다. 구동부(11)는 단위체(110)를 구성하는 제1 섬유(1101)와 제2 섬유(1103)가 동시에 가열 또는 냉각되지 않으며, 독립적으로 가열 또는 냉각되어 소프트 액추에이터(1)가 구동할 수 있다.
구동부(11)는 단위체(110)를 복수개 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 구동부(11)는 하나 이상의 단위체(110)를 포함할 수 있다. 구동부(11)는 구동 케이블(13)에 관입되는 형태이며, 복수의 단위체(110)가 이격되어 배치될 수 있다. 구동부(11)에 포함되는 단위체(110)의 개수가 증가될수록 소프트 액추에이터(1)의 구동을 정밀하게 조절할 수 있다. 다만, 구동부(11)는 구동 케이블(13)의 용적내에 포함할 수 있는 단위체(110)의 개수를 초과하지 않아야 한다. 바람직하게, 구동부(11)는 3개 이상의 단위체(110)를 포함할 수 있다. 단위체(110)는 구동 케이블(13)의 일측으로 조밀하게 배치되지 않고, 구동 케이블(13) 전면에 균일하게 배치되어 소프트 액추에이터(1)의 구동을 구현할 수 있다.
구동부(11)는 복수개인 단위체(110)의 구동이 독립적으로 제어되어 구동 케이블(13)의 인장, 압축, 굽힘, 회전 구동을 가능하게 할 수 있다.
복수의 단위체(110)가 독립적으로 구동됨에 따라 구현되는 인장, 압축, 굽힘, 회전 구동은 하기의 <실시예>에서 상세히 다루도록 한다.
구동 케이블(13)은 단위체(110)의 개수에 대응되는 중공이 복수개 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 구동 케이블(13)은 복수의 단위체(110)가 관입되기 충분한 공간을 가질 수 있다. 구동 케이블(13)은 관입예정인 단위체(110)와 동일한 개수의 중공이 형성될 수 있다. 구동 케이블(13)에 마련되는 중공은 일측으로 조밀하게 배치되지 않고, 구동 케이블(13)의 전면에 균일하게 형성될 수 있다. 구동 케이블(13)의 중공은 구동 케이블(13)의 일면과 타면을 관통할 수 있다. 구동 케이블(13)은 단위체(110)와 구동 케이블(13)이 동일한 궤적 내에서 구동하도록 일면과 타면을 감쌀 수 있다. 구동 케이블(13)은 소프트 액추에이터(1)가 구동시 구동 케이블(13)로 인해 발생할 수 있는 저항력을 방지하기 위해 유연한 소재로 측벽이 세팅될 수 있다.
이하 소프트 액추에이터(1)의 인장, 압축, 굽힘, 회전 구동을 구현하는 실시예를 서술한다. 서술에 앞서 각 실시예는 4개의 단위체(110)가 포함된 소프트 액추에이터(1)를 예시로 개시하며, 단면도를 참고하여 기준으로 12시 방향에 배치된 단위체(110)를 (a), (a)를 기준으로 시계방향으로 90도 간격으로 균일하게 배치된 단위체(110)를 각각 (b), (c) 및 (d)로 지칭한다.
< 실시예1 > 인장, 압축
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 압축 또는 인장을 나타낸다.
본 실시예에서, 단위체(110) (a) 내지 (d)의 제1 섬유(1101)는 동시에 가열될 수 있다. 이를 통해, 소프트 액추에이터(1)는 압축 또는 팽창될 수 있다. 특히, 모든 제1 섬유(1101)가 호모키랄 섬유로 구성된 경우에는 소프트 액추에이터(1)가 제1 섬유(1101)의 가열에 의해 압축될 수 있다. 이때, 제2 섬유(1103)는 헤테로키랄 섬유로 구성됨이 마땅하며, 이에 따라 제2 섬유(1103)가 가열되는 경우 소프트 액추에이터(1)는 팽창될 수 있다. 반대로, 모든 제1 섬유(1101)가 헤테로키랄 섬유로 구성된 경우에는 소프트 액추에이터(1)가 제1 섬유(1101)의 가열에 의해 팽창될 수 있다. 이때, 제2 섬유(1103)는 호모키랄 섬유로 구성됨이 마땅하며, 이에 따라 제2 섬유(1103)가 가열되는 경우 소프트 액추에이터(1)는 압축될 수 있다.
한편, 압축 또는 팽창 구동은 서로 마주보는 단위체(110) 한 쌍이 압축 또는 팽창되는 경우에도 구현될 수 있다. 예를 들어 단위체(110) (a) 와 (c)의 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)가 동시에 가열되는 경우 소프트 액추에이터(1)는 압축 또는 팽창될 수 있다. 또한, 단위체(110) (b) 와 (d)의 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)가 동시에 가열되는 경우 소프트 액추에이터(1)는 압축 또는 팽창될 수 있다.
< 실시예2 > 굽힘
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 굽힘을 나타낸다.
본 실시예에서, 각각의 단위체(110)를 수축 또는 팽창시켜 소프트 액추에이터(1)의 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 모든 단위체(110)의 제1 섬유(1101)가 호모키랄 섬유인 경우, 단위체(110) (a)의 제1 섬유(1101)를 가열함으로써 단위체(110) (a)가 독립적으로 수축될 수 있다. 이 경우, 모든 단위체(110)의 제2 섬유(1103)는 헤테로키랄 섬유로 준비될 수 있다. 이때, 가열되지 않은 단위체(110) (b) 내지 (d)는 수축된 단위체(110) (a) 방향으로 당겨지게 되며, 소프트 액추에이터(1)는 (a) 방향으로 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 이때, 단위체(110) (c)의 제2 섬유(1103)를 가열함으로써 단위체(110) (c)가 팽창할 수 있다. 이를 통해, 소프트 액추에이터(1)의 굽힘 정도를 더 크게 조절할 수 있다.
한편, 단위체(110) (c)의 제2 섬유(1103)를 독립적으로 가열함으로써 단위체(110) (c)의 제2 섬유(1103)가 독립적으로 팽창될 수 있다. 이때, 가열되지 않은 단위체(110) (a), (b) 및 (d)는 팽창된 단위체(110) (c) 반대방향으로 밀려나게 되며 소프트 액추에이터(1)는 (a) 방향으로 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 이때, 단위체(110) (a)의 제1 섬유(1101)를 가열함으로써 단위체(110) (a)가 수축할 수 있다. 이를 통해, 소프트 액추에이터(1)의 굽힘 정도를 더 크게 조절할 수 있다.
또한, 단위체(110) (a)의 제2 섬유(1103)를 가열하여 팽창시키고, 단위체(110) (c)의 제2 섬유(1103)에 더 큰 열에너지를 공급하여 단위체(110) (a)보다 많이 팽창시켜, 팽창된 단위체(110)의 상대적 길이 차이에 의해 (a) 방향으로 소프트 액추에이터(1)가 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 전술한 굽힘 구동은 단위체(110) (b), (c) 및 (d)의 기준으로 구현될 수 있으며, 이를 통해 상, 하, 좌, 우를 포함하는 4방향의 굽힘 구동을 구현할 수 있다.
또한, 모든 제1 섬유(1101)가 헤테로키랄 섬유이고, 동시에 제2 섬유(1103)가 호모키랄 섬유인 경우 전술한 방법과 상이한 방법으로 단위체(110) (a) 내지 (d)의 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)를 가열하여 상, 하, 좌, 우의 4방향 굽힘 구동을 구현할 수 있다.
본 실시예에서, 인접한 복수의 단위체(110)를 가열하여 수축 또는 팽창시켜, 전술한 상, 하, 좌, 우를 제외한 다른 방향으로 소프트 액추에이터(1)의 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 모든 제1 섬유(1101)가 호모키랄 섬유이고, 동시에 제2 섬유(1103)가 헤테로키랄 섬유인 경우 단위체(110) (a)와 단위체(110) (b)의 제1 섬유(1101)를 가열하여 단위체(110) (a)와 (b)를 수축시킬 수 있다. 이때, 단위체(110) (c)와 (d)는 (a)와 (b)의 방향으로 당겨지게 되며, 이를 통해 소프트 액추에이터(1)는 우상향으로 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 이때, 단위체(110) (a)와 (b)로 각각 전달되는 열에너지 양을 조절하여 굽힘 구동의 방향을 정밀하게 설정할 수 있다. 추가적으로, 단위체(110) (c)와 (d)의 제2 섬유(1103)를 가열하여 팽창시킴으로써, 우상향으로 굽힘 구동을 하는 소프트 액추에이터(1)의 굽힘 정도를 더욱 크게 조절할 수 있다.
한편, 단위체(110) (c)와 단위체(110) (d)의 제2 섬유(1103)를 가열하여 단위체(110) (c)와 (d)를 팽창시킬 수 있다. 이때, 단위체(110) (a)와 (b)는 (a)와 (b)의 방향으로 밀려나게 되며, 이를 통해 소프트 액추에이터(1)는 우상향으로 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 이때, 단위체(110) (c)와 (d)로 각각 전달되는 열에너지 양을 조절하여 굽힘 구동의 방향을 정밀하게 설정할 수 있다. 추가적으로, 단위체(110) (a)와 (b)의 제1 섬유(1101)를 가열하여 수축시킴으로써, 우상향으로 굽힘 구동을 하는 소프트 액추에이터(1)의 굽힘 정도를 더욱 크게 조절할 수 있다.
또한, 단위체(110) (a)와 (b)의 제2 섬유(1103)를 가열하여 팽창시키고, 단위체(110) (c)와 (d)의 제2 섬유(1103)에 더 큰 열에너지를 공급하여 단위체(110) (a)와 (b)보다 많이 팽창시켜, 팽창된 단위체(110)의 상대적 길이 차이에 의해 우상향으로 소프트 액추에이터(1)가 굽힘 구동을 구현할 수 있다. 전술한 굽힘 구동은 모든 단위체(110)를 기준으로 구현될 수 있으며, 이를 통해 좌상, 우상, 좌하, 우하를 포함하는 다방향의 굽힘 구동을 다양하게 구현할 수 있다. 또한, 모든 제1 섬유(1101)가 헤테로키랄 섬유이고, 동시에 제2 섬유(1103)가 호모키랄 섬유인 경우 전술한 방법과 상이한 방법으로 단위체(110) (a) 내지 (d)의 제1 섬유(1101) 또는 제2 섬유(1103)를 가열하여 다방향 굽힘 구동을 구현할 수 있다.
< 실시예3 > 회전
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 액추에이터(1)의 회전을 나타낸다.
본 실시예에서, 소프트 액추에이터(1)의 회전 구동은 전술한 굽힘 구동이 연속적으로 진행되면서 구현될 수 있다. 우선 단위체(110) (a) 방향으로 굽힘 구동을 진행 후, 이어서 단위체(110) (b) 내지 (d) 방향으로 굽힘 구동이 연속적으로 진행되게 되면, 소프트 액추에이터(1)는 시계방향으로 회전할 수 있다. 이때, 정밀한 회전 구동을 구현하기 위해 인접한 두개의 단위체(110)를 동시에 가열하면서 각각의 단위체(110)에 전달되는 열에너지를 조절하면 굽힘 방향을 서서히 변동시킬 수 있다. 반면, 단위체(110) (a) 방향으로 굽힘 구동을 진행 후, 단위체(110) (d) 내지 (b)의 방향으로 굽힘 구동이 연속적으로 진행되게 되면, 소프트 액추에이터(1)는 반시계방향으로 회전할 수 있다. 이때, 전술한 내용과 마찬가지로 정밀한 회전 구동을 구현하기 위해 인접한 두개의 단위체(110)를 동시에 가열하면서 각각의 단위체(110)에 전달되는 열에너지를 조절하면 굽힘 방향을 서서히 변동시킬 수 있다. 또한, 각각의 단위체(110)를 가열하는 시간차를 변경하여 소프트 액추에이터(1)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 또한, 전술한 굽힘 구동의 정도를 조절하는 방법을 응용하여 소프트 액추에이터(1)의 회전 반경을 조절할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 소프트 액추에이터
11: 구동부
110: 단위체
1101: 제1 섬유
1103: 제2 섬유
13: 구동 케이블

Claims (6)

  1. 꼬임 및 코일링이 형성된 제1 섬유와, 꼬임 및 코일링이 형성되어 상기 제1 섬유와 이격된 상태를 유지하며 상기 제1 섬유를 환요하는 제2 섬유가 단위체로 구성되는 구동부; 및
    중공이 형성되고, 상기 중공에 상기 단위체가 관입된 구동 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 제1 섬유 또는 상기 제2 섬유 중 어느 한 섬유가 꼬임과 코일링의 방향이 동일하게 형성된 호모키랄(homochiral) 섬유이고, 다른 섬유가 꼬임과 코일링의 방향이 상이하게 형성된 헤테로키랄(heterochiral) 섬유인 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    인가된 전류로 발열하는 전열체를 포함하고,
    상기 전열체는 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유에 열에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 단위체를 구성하는 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유가 가열 또는 냉각된 경우, 상기 제1 섬유와 상기 제2 섬유는 수축 또는 팽창 중 서로 상이한 구동을 하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 단위체를 복수개 포함하고,
    상기 구동 케이블은,
    상기 단위체의 개수에 대응되는 중공이 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동부는,
    복수개인 상기 단위체의 구동이 독립적으로 제어되어 상기 구동 케이블의 인장, 압축, 굽힘, 회전 구동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.

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