KR20180082229A - 스마트 액추에이터 - Google Patents

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KR20180082229A
KR20180082229A KR1020170003656A KR20170003656A KR20180082229A KR 20180082229 A KR20180082229 A KR 20180082229A KR 1020170003656 A KR1020170003656 A KR 1020170003656A KR 20170003656 A KR20170003656 A KR 20170003656A KR 20180082229 A KR20180082229 A KR 20180082229A
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이동찬
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주식회사 에프알티
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Abstract

본 발명은 스마트 액추에이터에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 내부에 일측부터 타측까지 중공된 홀이 형성되고, 메타섬유가 꼬여 네트워크 구조를 형성하는 메타구조체 및 상기 메타구조체를 감싸는 튜브를 포함하는 소프트 실린더, 상기 소프트 실린더의 일측 및 타측 단부에 연결되어, 상기 소프트 실린더의 내부로 유체를 공급하는 유체 공급장치, 및 상기 유체 공급장치를 제어하여 상기 소프트 실린더의 내부에 공급되는 유체의 압력 및 속도를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 소프트 실린더는 신축가능하고, 음의 포와송비를 가지는 물질로 형성되고, 상기 소프트 실린더의 내부로 공급되는 유체의 압력에 따라 상기 소프트 실린더의 종축 방향으로 인장 또는 수축되는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 액추에이터 {SMART ACTUATOR}
본 발명은 메타물질을 이용하여 제조한 스마트 액추에이터에 관한 것이다.
액추에이터는 에너지를 사용하여 기계적인 일을 하는 기구를 말하는 것이다. 그 중, 유압 액추에이터는 유체의 압력 에너지를 기계적인 에너지로 변환하여 직선운동, 회전운동 등의 기계적인 일을 하는 기기로서 구동 기기라고도 한다.
특히, 이러한 유압을 기반으로한 액추에이터는 자동차, 철도, 에너지, 교통, 의료 등 산업 전반에 사용되고 있다. 또한 유압 액추에이터의 경우, 작고 정밀한 제어가 가능하며, 모터를 기반으로 하는 액추에이터에 비해 크기 대비 출력이 뛰어나다.
또한, 현재 전자 기기의 의류 일체화, 신체 부착화 생체 이식화 등으로 소자의 유연성이 요구되며, 따라서, 액추에이터 또한 유연성 및 액추에이터의 성능을 향상 시키기 위한 유압실린더의 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스마트 액추에이터를 제공하고자 한다.
구체적으로, 부포와송 비 또는 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질(Meta Material)을 이용하여 부피가 작고 유연한 스마트 액추에이터를 제공하는 것이다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 내부에 일측부터 타측까지 중공된 홀이 형성되고, 메타섬유가 꼬여 네트워크 구조를 형성하는 메타구조체 및 상기 메타구조체를 감싸는 튜브를 포함하는 소프트 실린더, 상기 소프트 실린더의 일측 및 타측 단부에 연결되어, 상기 소프트 실린더의 내부로 유체를 공급하는 유체공급장치, 및 상기 유체공급장치를 제어하여 상기 소프트 실린더의 내부에 공급되는 유체의 압력 및 속도를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 메타구조체는 복수의 단위구조가 마디부에 의해 연결된 것이고, 상기 단위구조 각각은 내부에 일측부터 타측까지 중공된 홀이 형성되고, 메타섬유가 꼬여 네트워크 구조로 형성된 것이다.
또한, 상기 단위구조는 유체의 압력에 따라 유도되는 상기 메타 섬유의 인장 또는 수축에 따라 상기 단위 구조의 전체 면적이 변화하고, 상기 단위 구조의 전체면적이 변화함에 따라 상기 소프트 실린더는 음의 포와송 비를 가진다.
상기 유체공급장치는 유압을 발생시키는 유압모듈 및 상기 유압모듈과 상기 소프트 실린더를 연결하는 유체공급배관을 포함하고, 상기 유체공급배관은 상기 소프트 실린더의 일측 및 타측 단부에 연결된다.
또한, 상기 튜브는 내부가 중공된 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 중공된 내부에 상기 메타구조체가 삽입될 수 있다.
상기 소프트 실린더의 내부에 유체가 유입될 때, 상기 소프트 실린더는 종축 방향으로 인장되며, 상기 소프트 실린더의 내부에 유체가 회수될 때, 상기 소프트 실린더는 종축 방향으로 수축되는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 소프트 실린더의 일측 및 타측에 연결되어, 상기 소프트 실린더에 전기 신호를 가하는 전력공급장치를 더 포함한다. 이때, 제어부는 상기 전력공급장치를 통해 소프트 실린더의 내부에 공급되는 전기 신호의 세기 및 주파수를 제어한다.
또한, 상기 소프트 실린더는 상기 소프트 실린더의 내부로 공급되는 전기신호의 세기에 따라 상기 소프트 실린더의 종축 방향으로 인장 또는 수축될 수 있다.
상기 제어부는 적어도 어느 하나의 센서와 연결되고, 상기 센서로부터 검출된 물리적 신호에 기초하여 상기 전력공급장치 또는 유체공급장치를 제어한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 스마트 액추에이터를 제공할 수 있다.
구체적으로, 부포와송 비 또는 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질(Meta Material)을 이용하여 부피가 작고 유연한 스마트 액추에이터를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 구성을 더욱 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 외압에 따른 변형을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스마트 액추에이터를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 소프트 실린더(10), 유체공급부(20), 및 제어부(30)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더(10)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 메타 구조체(100) 및 메타구조체(100)를 감싸는 튜브(200)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 구성을 더욱 상세히 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로 도 4의 (a)는 소프트 실린더를 구성하는 메타구조체(100)를 도시한 도면이고, 도 4의 (b)는 메타구조체(100)을 감싸는 튜브(200)를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 메타구조체(100)는 복수의 단위구조(100a)가 마디부(100b)에 의해 연결된다. 이때, 각각의 단위구조(100a)는 도 3및 도4에 도시된 바와 같이, 메타섬유(120)가 꼬여 네트워크 구조를 형성하며, 중앙에는 일측부터 타측까지 내부가 중공된 홀(110)을 포함한다.
그러나, 상기 네트워크 구조는 도 4에 도시된 형상에 한정되는 것은 아니며, 허니콤(honeycomb) 구조, 요각육면체(re-entrant hexagonal honeycomb), 화살촉 구조(arrowhead), 및 나선형 에어백 구조(spiral air bag) 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 소프트 실린더(10)의 일단 및 타단은 커넥터(미도시됨)와 연결될 수 있으며, 커넥터는 유체 공급장치(20)와 연결되어 소프트 실린더(10)의 내부로 공기 또는 액체와 같은 유체를 흐르게 하여 공압 또는 유압을 조절할 수 있다. .
즉, 유체공급장치(20)는 소프트 실린더(10)의 메타구조체(100) 내부로 유체를 공급하거나, 회수함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더(10)의 길이를 조절할 수 있다.
이때, 유체공급장치(20)는 유압을 발생시키는 유압모듈을 포함할 수 있다. 예컨대, 도면에는 도시되지 않았으나 유압모듈은 유압탱크, 유압구동모터, 유압밸브, 유압펌프기어, 구동회로보드, 배터리 팩 등으로 구성될 수 있다. 이와 같은, 유압모듈은 하나의 유압탱크에 복수 개의 유압구동모터, 유압밸브 및 유압펌프기어가 설치되는 일체형 압유 공급 방식이 적용될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 유체공급장치(20)는 유압모듈과 소프트 실린더(10)를 연결하는 커넥터를 포함할 수 있다. 예컨대, 커넥터는 유체공급배관 일 수 있다. 이때, 유체공급배관은 하나의 배관으로 구비되어 유체의 유출입이 동시에 이루어지거나, 복수 개로 구비되어 유출입이 각각 개별적으로 이루어 질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더(10)의 메타구조체(100) 또는 튜브(100)는 신축 가능한 소재로 형성될 수 있으며, 음의 포와송비를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 비대물질(Auxetic material), 스마트 재료(Smart Material), 및 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질(Meta Material) 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더(100)는 충격작용시 딱딱한 성질로 변환하여 작용하중을 한 곳에 집중되지 않고 분포하중으로 변환시켜주는 힙 프로텍터(hip protector) 또는 저온에서 고체상태에서 고온 작용시 겔 형태로 변환하는 상변화물질 등을 포함할 수 있다. 이때, 상변화 물질로는 일례로 열변환 물질일 수 있으나 이에제한되는 것은 아니다.
한편, 도시되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 소프트 실린더의 일측 및 타측에 연결되고, 소프트 실린더에 전기 신호를 가하는 전력공급장치를 더 포함할 수 있다. 이때, 제어부(30)는 전력공급장치를 통해 소프트 실린더의 내부에 공급되는 전기 신호의 세기 및 주파수를 제어한다.
따라서, 소프트 실린더는 소프트 실린더의 내부로 공급되는 전기신호의 세기에 따라 소프트 실린더의 종축 방향으로 인장 또는 수축될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더의 외압에 따른 변형을 설명하기 위한 도면이다.
일반적인 물체의 경우, 인장하중이 가해지면 인장하중이 작용하는 방향으로 물체가 늘어나게 되며, 인장하중의 직교하는 방향으로는 재료가 줄어들게 된다. 여기서, 인장하중이 작용하는 방향을 종방향으로 하고, 인장하중과 직교하는 방향을 횡방향으로 가정했을 때, 종방향의 변형률과 횡방향의 변형률 간의 비율을 포와송비라고 하며, 일반적인 물체는 양(+)의 포와송비를 가진다. 그러나, 음의 포와송비를 가지는 물질의 경우, 압축하중이 가해지게 되면, 종방향뿐만 아니라 횡방향 모두에서 수축되도록 변형되며, 인장하중이 작용되면 종방향 및 횡방향 방향으로 팽창하도록 변형된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 음의 포와송 비를 가지는 신축가능한 물질을 이용하여 소프트 실린더(10)를 제작할 수 있다. 이어서, 소프트 실린더(10)의 양단을 커넥터(유체공급배관)과 연결하고, 소프트 실린더(10)의 내부로 공급되는 전기신호의 세기, 유체의 압력 또는 속도 등을 조절하여 소프트 실린더(10)를 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 방향(2)으로 변형시킬 수 있다. 즉, 소프트 실린더(10)는 소프트 실린더(10)의 종축방향으로 변형될 수 있다.
다시 도 2 내지 도 4를 참조하면, 튜브(200)는 내부가 중공된 원기둥 형상으로서, 내부의 중공된 부분에는 메타구조체(100)가 삽입된다.
따라서, 소프트 실린더(10)의 일단 및 타단부에 연결된 커넥터에 전기신호 또는 유체가 공급될 수 있다. 따라서, 전기신호세기, 유체의 압력 및 속도 등에 따라 메타구조(100)의 단위구조를 이루는 메타 섬유가 수축 및 인장됨으로써, 소프트 실린더(10)가 제 1 방향(1)으로 길이가 변화된다.
더욱 상세하게, 유체가 공급되는 소프트 실린더(10)의 일단 및 타단부에 연결된 커넥터, 즉 유체공급배관을 통해 유체가 공급되어, 공급된 유압에 따라 메타구조체(100)의 내부 압력이 기 설정된 기준 압력 이상으로 증가하면, 마디부(100b)를 기준으로 메타섬유(120)가 인장되며 메타구조(100)가 제 1 방향(1)으로 인장됨에 따라, 소프트 실린더(10)는 도5의 (c)와 같이 제 1 방향으로 길이가 증가한다.
반면, 유체가 회수되어 메타구조체(100)의 압력이 기 설정된 기준 압력의 이하가 되었을때, 마디부(100b)를 기준으로 메타섬유(120)가 수축되며 메타구조체(100)의 각각의 단위구조(100a)의 공극면적은 감소하게 되고, 이에 따라 소프트 실린더(10)는 도 4의 (a)와 같이 제 1 방향으로 수축하여 길이가 감소할 수 있다.
즉, 전력공급장치 또는 유체공급장치에 의해 공급되는 유체 또는 전기 신호에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 실린더(10)의 길이는 제 1 방향으로 증가 및 수축을 반복하며, 따라서 소프트 실린더(10)로서 구동이 가능하다.
다시 도 1을 참조하면, 제어부(30)는 유체공급장치(20)의 동작을 제어한다.
일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터의 제어부(30)는 적어도 하나 이상의 센서와 연결되고, 센서로부터 측정된 신호에 기초하여 유체공급장치(20) 또는 전력 공급장치(미도시됨)를 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(300)는 소프트웨어 또는 FPGA (Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC (Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성 요소를 의미하며, 소정의 역할들을 수행하는 것일 수 있다. 그렇지만 '구성 요소'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.
또한 구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 액추에이터는 부포와송 비 또는 상변화 특성을 가지는 신축 가능한 메타물질(Meta Material)을 이용하여 부피가 작고 유연한 스마트 액추에이터를 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 액추에이터
20: 유체공급장치
30: 제어부
100: 메타구조체
200: 튜브

Claims (10)

  1. 스마트 액추에이터에 있어서,
    내부에 일측부터 타측까지 중공된 홀이 형성되고, 메타섬유가 네트워크 구조를 형성하는 메타구조체 및 상기 메타구조체를 감싸는 튜브를 포함하는 소프트 실린더,
    상기 소프트 실린더의 일측 및 타측 단부에 연결되어, 상기 소프트 실린더의 내부로 유체를 공급하는 유체공급장치, 및
    상기 유체공급장치를 제어하여 상기 소프트 실린더의 내부에 공급되는 유체의 압력 및 속도를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 소프트 실린더는
    신축가능하고, 음의 포와송비를 가지는 물질로 형성되고,
    상기 소프트 실린더의 내부로 공급되는 유체의 압력에 따라 상기 소프트 실린더의 종축 방향으로 인장 또는 수축되는 것인,
    스마트 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타구조체는
    복수의 단위구조가 마디부에 의해 연결된 것이고,
    상기 단위구조 각각은 내부에 일측부터 타측까지 중공된 홀이 형성되고, 메타섬유가 꼬여 네트워크 구조로 형성된 것인,
    스마트 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단위구조는
    유체의 압력에 따라 유도되는 상기 메타 섬유의 인장 또는 수축에 따라 상기 단위 구조의 전체 면적이 변화하고,
    상기 단위 구조의 전체면적이 변화함에 따라 상기 소프트 실린더는 음의 포와송 비를 가지는 것인,
    스마트 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체공급장치는
    유압을 발생시키는 유압모듈 및
    상기 유압모듈과 상기 소프트 실린더를 연결하는 유체공급배관을 포함하는,
    스마트 액추에이터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체공급배관은
    상기 소프트 실린더의 일측 및 타측 단부에 연결되는 것인,
    스마트 액추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브는
    내부가 중공된 원기둥 형상으로 형성되고,
    상기 내부에 상기 메타구조체가 삽입되는 것인,
    스마트 액추에이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트 실린더의 내부에 유체가 유입될 때, 상기 소프트 실린더는 종축 방향으로 인장되며,
    상기 소프트 실린더의 내부에 유체가 회수될 때, 상기 소프트 실린더는 종축 방향으로 수축되는 것인,
    스마트 액추에이터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트 실린더의 일측 및 타측에 연결되어, 상기 소프트 실린더에 전기 신호를 가하는 전력공급장치를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 전력공급장치를 통해 소프트 실린더의 내부에 공급되는 전기 신호의 세기 및 주파수를 제어하는 것인,
    스마트 액추에이터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소프트 실린더는
    상기 소프트 실린더의 내부로 공급되는 전기신호의 세기에 따라 상기 소프트 실린더의 종축 방향으로 인장 또는 수축되는 것인,
    스마트 액추에이터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는
    적어도 어느 하나의 센서와 연결되고,
    상기 센서로부터 검출된 물리적 신호에 기초하여 상기 전력공급장치 또는 유체공급장치를 제어하는 것인,
    스마트 액추에이터.
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