KR20230108902A - 자율반응형 다공성 소프트 액추에이터 및 이를 이용한 소프트 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물의 모세관 현상에 의한 영양분 공급과 개화 현상을 모방하여 별도의 연료를 공급하지 않고도 환경에 대응하는 자율반응형 다공성 소프트 액추에이터와 이를 이용한 소프트 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모세관 현상에 의해 유체를 이동시킬 수 있으며, 유체의 유입에 따라 부피가 팽창하는 가요성의 다공성 기재로 이루어진 작동부; 상기 작동부의 일면에 형성되는 가요성의 비다공성 코팅층; 및 상기 작동부의 일 말단에 유체를 공급하는 유체공급부;를 포함하며 유체공급부를 통한 유체의 유입에 따라 밴딩 구동되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터와 이를 이용한 소프트 로봇에 관한 것이다.

Description

자율반응형 다공성 소프트 액추에이터 및 이를 이용한 소프트 로봇{Autonomously Responsive Porous Soft Actuator and Soft Robot Using the Same}

본 발명은 식물의 모세관 현상에 의한 영양분 공급과 개화 현상을 모방하여 별도의 연료를 공급하지 않고도 환경에 대응하는 자율반응형 다공성 소프트 액추에이터와 이를 이용한 소프트 로봇에 관한 것이다.

종래 로봇의 대부분은 본체 내에 전원, 제어회로, 액추에이터, 센서 등을 갖춘 강체 시스템에 기반한다. 이러한 로봇들은 정해진 환경에서 작업하는 산업용 로봇으로, 단순 반복 작업이나 위험한 환경에서의 작업에 대해 인력을 대체하여 유용하게 적용되고 있다. 로봇의 적용 분야가 점점 더 복잡하고 다양한 비정형 환경으로 확장되면서, 비정형화된 환경에서 성능이나 사용범위가 한정적이고, 마이크로 스케일로 크기를 축소하는 데 어려움이 제기되었다. 이에 구성물질과 구조, 적응성에 유연성을 갖는 새로운 로봇 기술이 요구되고 있다.

소프트 로봇은 딱딱한 금속을 쓰지 않고 부드럽고 변형이 쉬운 소재, 신축성 있는 액추에이터, 센서 등을 기반으로 하는 생체모방 로봇의 일종이다. 소프트 로봇은 제어회로와 전원을 로봇 본체에서 제거할 수 있어 소형화에 유리하며, 자극 감응형 재료 및 구조 설계를 통해 주변 환경에 대한 적응력이 뛰어난 외부 구동 마이크로 로봇 제작을 가능하게 한다. 이로 인해 구조화되지 않은 환경에 대한 적응성 및 복잡한 생물 형상의 구현을 가능하게 하며, 극한 환경 탐사, 의료서비스, 생물 모방 정찰 등에 폭넓은 활용 가능성을 보여주고 있다.

소프트 로봇의 기원은 명확하게 정리되어 있지는 않다. 소프트 로봇의 작동 분야는 1950년 주변 매체의 pH에 따른 중합체 재료의 권선 및 권선 해제의 가역변화에 기반을 둔 쿤의 작업과 함께 시작되었다. 종합적인 로봇 시스템의 관점에서 볼 때에는 1988년 동경공업대학교의 시게오 히로세가 발표한 능동 내시경용 형상기억합금 서보 액추에이터 시스템과 1989년 도시바가 발표한 유연 마이크로 액추에이터를 시초로 볼 수 있다. 실질적인 첫 번째의 소프트 로봇은 2006년 미국 터프츠대 베리 트림머 교수가 개발한 애벌레 모양의 소프트봇이며, 이후 2013년 미국 하버드대 조지 화이트사이드 교수팀이 개발한 메탄가스의 스파크에 의해 추진되는 불가사리 로봇, 2014년 MIT 다니엘라 루스 교수팀이 개발한 이산화탄소의 주입에 의해 방향을 제어하는 물고기 로봇, 2016년 하버드대 로버트 우드 그룹이 개발한 과산화수소 기반 단일 추진제 분해에 의해 구동되는 공압식 로봇인 옥토봇 등이 보고되었다.

옥토봇은 자율 작업을 수행하지만 여전히 두 가지의 주요한 과제가 남아있다. 첫째는 자체전력 공급 시스템의 결여이다. 작동 시간은 잔여 연료 또는 저장고의 부피에 의해 제한되므로, 액추에이터를 지속적으로 작동시키기 위해서는 수동으로 추가 연료를 공급하여야 한다. 둘째는 자율반응 시스템이 결여되어 있다는 점이다. 주변 환경의 변화에 대응하기 위해 필요한 자율반응 시스템을 포함하고 있지 않기 때문에, 작동을 위해서는 외부 감지/제어시스템을 필요로 한다.

이러한 문제들에 대한 해결의 실마리는 자연계에 존재하는 생물에서 찾을 수 있다. 식물은 다공성의 소프트한 생명체이다. 줄기는 다공성이어서 자체 동력 시스템에 의해 필수 영양소를 포함하는 물을 뿌리로부터 몸 전체로 이송할 수 있어 뿌리가 지구의 거대한 물 순환시스템과 연결되어 있는 동안 독립적으로 생존할 수 있다. 한편, 꽃잎 역시 다공성이며 소프트한 특성을 가지며, 계절에 반응하여 세포에 유입되는 물에 의해 꽃을 피운다. 이러한 식물의 모세관 현상에 의한 자체 동력 공급이나 개화 현상은 현재 소프트 로봇이 직면한 문제를 해결할 단초를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

등록특허 제10-2084280

기계저널 2016. 6., Vol 56, No 6, 50~55.

본 발명은 식물의 모세관 현상에 의한 영양분 공급과 개화 현상을 모방하여 별도의 연료를 공급하지 않고도 환경에 대응하는 자율반응형 다공성 소프트 액추에이터와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 소프트 액추에이터를 이용한 소프트 로봇을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 상기 소프트 로봇을 이용한 수질 모니터링 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모세관 현상에 의해 유체를 이동시킬 수 있으며, 유체의 유입에 따라 부피가 팽창하는 가요성의 다공성 기재로 이루어진 작동부; 상기 작동부의 일면에 형성되는 가요성의 비다공성 코팅층; 및 상기 작동부의 일 말단에 모세관 현상에 의해 유체를 공급하는 유체공급부;를 포함하며 유체공급부를 통한 유체의 유입에 따라 밴딩 구동되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터에 관한 것이다.

본 발명의 다른 양태는 상기 소프트 액추에이터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 소프트 로봇에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 양태는 본 발명에 의한 하나 이상의 액추에이터; 상기 액추에이터의 유체공급부가 연결되어 있는 꽃받침부; 상기 꽃받침부에 일 말단이 연결되며, 타 말단이 물속에 잠기어 모세관 현상에 의해 꽃받침부를 통해 상기 유체공급부로 물을 전달하는 적어도 하나의 줄기부; 및 상기 액추에이터의 작동부의 말단에 형성된 비다공성의 꽃잎부;를 포함하며, 상기 적어도 하나의 각 줄기부의 일부 또는 전체 영역이 헤테로 원자를 포함하는 소수성 물질로 소수성 표면개질된 것을 특징으로 하는 소프트 로봇을 이용한 수질 모니터링 장치에 관한 것이다.

이상과 같이 본 발명의 소프트 액추에이터는 별도의 전력을 공급하지 않고도 주변 환경의 변화에 대응하는 자율반응 시스템을 갖추고 있어 자율반응형 소프트 로봇의 구동에 광범위하게 이용될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 소프트 로봇은 저가의 다공성 기재를 사용하여 왁스 패턴을 형성하는 단순한 공정으로 생산할 수 있어 경제적인 제조가 가능하며, 외부 전력이 필요없이 완전 자율적으로 반응하기 때문에 수질 모니터링 장치 등에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 종이 결에 의한 밴딩 구동 범위의 영향를 확인하기 위한 액추에이터의 모식도와 실험결과를 보여주는 도면.
도 2는 비다공성 제2코팅층에 의한 밴딩 구동 범위의 영향을 확인하기 위한 액추에이터의 모식도와 실험결과를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 로봇의 전개도 및 조립도.
도 4는 액추에이터의 길이가 소프트 로봇의 구동에 미치는 영향을 보여주는 사진.
도 5는 줄기부의 지연유로가 소프트 로봇의 구동에 미치는 영향을 보여주는 사진.
도 6은 줄기부의 지연유로에서의 유로 깊이가 소프트 로봇의 구동에 미치는 영향을 보여주는 모식도 및 사진.
도 7은 줄기부의 넓이가 소프트 로봇의 구동에 미치는 영향을 보여주는 사진.
도 8은 겹꽃의 개화를 모사한 구동 양상을 보여주는 소프트 로봇의 모식도.
도 9는 도 8의 소프트 로봇의 순차적 개화를 보여주는 사진.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 장치의 전개도 및 조립도.
도 11은 도 10의 수질 모니터링 장치의 작동을 보여주는 사진.

이하 첨부된 도면과 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

전술한 바와 같이 본 발명은 모세관 현상에 의해 유체를 이동시킬 수 있으며, 유체의 유입에 따라 부피가 팽창하는 가요성의 다공성 기재로 이루어진 작동부; 상기 작동부의 일면에 형성되는 가요성의 비다공성 코팅층; 및 상기 작동부의 일 말단에 유체를 공급하는 유체공급부;를 포함하는 소프트 액추에이터에 관한 것이다.

도 1의 B는 본 발명의 소프트 액추에이터의 구조를 보여준다. 상기 도면에서 파라핀층은 비다공성 코팅층의 예시이다. 유체공급부를 통해 작동부의 일 말단에 유체가 공급되면, 작동부는 모세관 현상에 의한 측방유동에 의해 유체를 이동시키며, 기공에 유체가 유입됨에 따라 부피가 팽창한다. 반면, 작동부의 일면에 형성된 비다공성 코팅층에는 유체가 유입되지 않기 때문에 부피의 팽창이 일어나지는 않으나, 여전히 가요성 특성을 갖고 있기 때문에 작동부에 유체가 유입됨에 따라 밴딩 구동되게 된다. 상기 가요성의 다공성 기재로는 모세관 현상에 의해 유체를 이동시킬 수 있으며, 유체가 유입됨에 따라 부피가 팽창하는 특성을 나타낸다면 어떤 것이든 사용할 수 있다. 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 소재로는 종이, 직물, 부직포 또는 고분자 수지를 예로 들 수 있다. 이하에서는 가요성의 다공성 기재로서 종이를 사용한 실시예를 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것이 아님은 당연하다. 가요성의 비다공성 코팅층으로는 파라핀 필름을 예시할 수 있으여, 상기 작동부 상에 코팅층을 형성할 수 있고 가요성과 비다공성을 갖는 것이라면 어떤 것이든 사용할 수 있다. 이때 상기 비다공성 코팅층에 대한 상기 유체의 접촉각이 70° 이상인 것, 즉, 유체의 젖음성이 낮은 것이 더욱 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

만일 상기 다공성 기재에 결이 존재하는 경우, 상기 작동부의 종방향은 상기 다공성 기재의 결(grain) 방향과는 평행하지 않은 것을 특징으로 한다. 본 명세서에서 "결(grain)"이라고 하는 것은 상기 기재를 이루는 물질의 배열 방향을 나타내는 것으로, 예를 들면, 종이의 경우에는 섬유질의 배열 방향을 나타낸다. 도 1은 종이 결에 따른 밴딩 구동 범위를 확인하기 위한 액추에이터의 모식도와 실험결과를 보여주는 도면이다. 도 1의 A에 도시된 바와 같이 동심원에 12개의 암이 방사선으로 배치되도록 종이를 디자인하고, 커팅 프린터를 사용하여 재단하였다. 동일한 형상으로 파라핀 필름을 커팅 프린터로 재단하였다. 동심원은 주입부로 각 암에 공급될 유체인 물을 주입하는 부위이다. 주입구의 하단에는 유체의 주입 시 하단부를 통하여 외부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 왁스로 원형 지지판을 형성하였다. 주입구의 상단에는 왁스로 링을 형성하여 각 암으로의 유체전달은 공극을 통한 모세관 현상에 의해서만 이루어질 수 있도록 하였다. 상단과 하단의 왁스패턴은 각각 왁스 프린터를 사용하여 투명한 유연성 필름 상에 인쇄하였으며, 하단 왁스 패턴-종이 기재-상단 왁스 패턴의 순서로 적층한 뒤 열처리하여 종이기재의 상면과 하면에 각각 왁스 패턴을 전사하여 코팅층을 형성하였다. 이어서, 왁스패턴이 형성된 종이 기재의 상면에 파라핀 필름을 정렬하고 다시 열처리하여 파라핀 코팅층을 형성하였다. 별도의 언급이 없는 한, 하기 다른 실시예에서의 액추에이터 및 소프트 로봇 역시 동일한 방법에 의해 제작하였다. 그러나, 상기 방법에 의해 액추에이터의 제작 방법이 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 왁스 패턴을 종이의 양면에 인쇄한 후 파라핀 층과 함께 열처리하고 커팅 프린터로 재단하는 등 다른 방법에 의해서도 제작이 가능함은 당연하다.

도 1의 A의 장치에서 각각의 암은 종이의 결과 작동부의 종방향이 이루는 각도가 각각 0, 30, 60, 90°인 하나의 소프트 액추에이터로 작동한다. 따라서 상기 장치에는 각각의 각도를 갖는 소프트 액추에이터가 4쌍이 존재한다.

상기 장치의 주입부에 푸른색 잉크를 넣은 물을 스포이트를 사용하여 떨어뜨리고, 시간에 따른 움직임을 관찰하였다. 도 1의 C는 시간의 경과에 따른 사진이며, 도 1의 D는 각 소프트 액추에이터의 밴딩 구동에 의한 작동부 끝의 높이를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 상기 결과에서 종이의 결방향과 작동부의 종방향이 평행한 경우에는 밴딩 구동이 이루어지지 않았으며, 각도가 클수록 밴딩 구동에 의한 높이가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 시간 t에서 작동부의 말단 - 유체공급부 - t=0일때 작동부의 말단이 이루는 각도를 밴딩구동각도라 할 때, 종이의 결방향과 작동부의 종방향이 이루는 각도가 클수록 밴딩구동각도가 증가하였다. 따라서, 상기 다공성 기재의 결방향과 상기 작동부의 종방향이 이루는 각도에 의해 밴딩 구동 범위를 제어할 수 있다.

본 발명의 소프트 액추에이터에서 상기 작동부의 타면의 일부 또는 타면의 전체에는 비다공성 제2코팅층이 형성되어 있을 수 있다. 이때 상기 가요성의 비다공성 코팅부와 비다공성 제2코팅층은 서로 접하지 않아야 함은 당연하다. 가요성의 비다공성 코팅부와 비다공성 제2코팅층이 서로 접하게 되면 접한 영역의 단면에는 다공성 구조가 존재하지 않기 때문에 유체의 유입 자체가 불가능하므로, 유체를 이동시키는 것도, 유입에 의해 팽창하는 것도 불가능하여 더 이상 작동부로 작동할 수 없게 된다.

도 2는 제2코팅층에 의한 밴딩 구동 범위의 영향을 확인하기 위한 액추에이터의 모식도와 실험결과를 보여주는 도면이다. 도 2의 A는 액추에이터의 모식도로 종이의 결방향에 의한 영향을 배제하기 위하여, 결에 대해 동일한 방향을 갖는 복수개의 액추에이터를 병렬로 배치하였으며, 각 액추에이터에 제2코팅층의 길이를 달리하여 형성하였다. 밴딩 구동 범위가 최대 범위가 되도록 액추에이터는 종이결에 대해 90° 각도를 갖도록 디자인하였다. 도 2의 B는 제2코팅층 형성 영역의 단면사시도로 가요성 비다공성 코팅층(paraffin layer)과 제2코팅층(partial wax pattern)이 서로 접하지 않아, 두 층 사이에 기재의 다공성이 유지됨을 보여준다. 제2코팅층을 이루는 코팅층 역시 가요성을 갖는 것이 바람직하다.

도 2의 C와 D를 참조하면, 제2코팅층이 길어질수록, 밴딩 구동 범위는 감소하였으며 이로부터 제2코팅층의 길이에 의해 밴딩 구동 범위를 제어할 수 있음을 확인할 수 있다. 제2코팅층은 유체의 유입에 의한 부피의 팽창을 억제하여 밴딩 구동 범위가 줄어드는 것으로 사료된다. 또한 제2코팅층으로 사용된 왁스층의 경우에는 열처리 과정에서 용융된 일부가 작동부의 다공성 영역으로 침투하여 작동부의 다공성 영역을 감소시키기 때문에 유체의 유입에 의해 부피가 팽창되는 정도를 감소시켜 밴딩 구동 범위가 감소하는 데 일조할 것으로 보인다.

따라서, 도 2에서와 같이 제2코팅층의 길이에 의해 작동부의 다공성 영역을 제어하는 것 뿐만 아니라, 제2코팅층이 작동부의 내부로 침투되는 깊이를 조절하여 다공성 부분의 두께를 제어하는 것에 의해 밴딩 구동 범위를 제어할 수 있다. 본 발명자들은 등록특허 제10-1662802호에서 여러 가지 왁스를 사용하여 종이기재의 유로 깊이를 제어할 수 있음을 보고한 바 있다. 이와 같이 왁스를 제2코팅층으로 사용하면, 코팅층을 형성하는 왁스의 특성을 조절하여 작동부의 다공성 영역 두께를 조절할 수 있다.

도 1의 A와 도 2의 A의 모식도에서와 같이, 본 발명의 소프트 액추에이터는 하나의 유체공급부에 복수개의 작동부가 연결되어 있을 수 있다. 더 나아가 각각의 작동부는 작동부 자체의 길이, 다공성 기재의 결방향과 이루는 각도나 제2코팅층의 길이를 변수로 사용하여 밴딩 구동 범위를 독립적으로 제어할 수 있다. 본 발명의 액추에이터는 밴딩 구동되는 것으로, 작동부 자체의 길이가 길어질수록 밴딩 구동 범위가 증가함은 당연하다.

본 발명의 액추에이터는 밴딩 구동 범위 뿐 아니라 구동 속도를 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명의 소프트 액추에이터는 유체공급부를 통한 유체의 유입에 의해 다공성 기재의 기공이 채워짐에 따라 부피가 팽창하는 것에 밴딩 구동되는 것을 특징으로 한다. 따라서 유체공급부를 통한 유체의 유입 유량이 많을수록 유체의 이동 속도 역시 증가하며, 그에 따라 밴딩 구동 속도 역시 빨라진다.

본 발명은 또한 상기 소프트 액추에이터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 소프트 로봇에 관한 것이다. 본 발명의 소프트 액추에이터는 별도의 전원을 공급하지 않고도 환경의 변화에 대응하는 자율반응 시스템을 갖추고 있어 자율반응형 소프트 로봇을 구현할 수 있다.

본 발명의 자율반응형 소프트 로봇으로, 물의 존재 여부에 따라 스스로 개화하는 꽃을 예로 들 수 있다. 구체적으로 상기 소프트 로봇(1)은 도 3에 도시된 바와 같이 복수개의 본 발명에 의한 액추에이터(10); 상기 액추에이터의 유체공급부가 방사상으로 연결되어 있는 꽃받침부(20); 상기 꽃받침부에 일 말단이 연결되며, 타 말단이 물속에 잠기어 모세관 현상에 의해 꽃받침부를 통해 상기 유체공급부로 물을 전달하는 적어도 하나의 줄기부(30); 및 상기 액추에이터의 작동부의 말단에 형성된 비다공성의 꽃잎부(40);를 포함할 수 있다. 도 3의 A는 상기 소프트 로봇의 각 구성을 보여주는 전개도이며, B는 소프트 로봇 제작을 위한 각 층의 설계도이고, C는 소프트 로봇을 조립한 상태이다. 도 3의 A는 한 장의 종이를 사용하여 소프트 로봇을 제작할 수 있음을 보여준다. 구체적으로 상기 예시적인 소프트 로봇에서는 4개의 액추에이터와 4개의 줄기부가 꽃잎부에 교호적으로 연결되도록 하여, 4개의 줄기부로부터 흡수된 물이 4개의 액추에이터에 동시에 고르게 분배되도록 하였다. 또한 각 액추에이터에는 왁스에 의한 제2코팅층을 형성하였으며, 꽃잎부는 왁스를 양쪽면에서 전사하고 열처리하여 앞면과 뒷면으로부터 종이로 흡수된 왁스가 서로 접촉하도록 하는 것에 의해 비다공성 꽃잎부가 형성되도록 하였다. 각 부분이 형성된 종이의 줄기부는 아래 방향으로 고정시키고, 꽃잎부는 위를 향하도록 액추에이터의 유체공급부 부근을 고정하여 조립하였다. 줄기부로부터 물이 흡수되어 꽃받침부에 공급되고, 꽃받침부로부터 액추에이터의 유체공급부로 물이 공급된다. 그 결과 액추에이터는 밴딩 구동되어 꽃잎이 벌어지면서 개화하게 된다.

전술한 액추에이터의 밴딩 구동 제어를 이용하면, 상기 소프트 로봇의 개화 양상을 조절할 수 있다. 도 4는 액추에이터의 작동부의 길이를 조절하여 개화의 정도를 조절할 수 있음을 보여준다. 즉, 액추에이터의 길이가 길어짐에 따라 밴딩 구동 범위가 증가하므로, 개화의 정도 역시 증가한다. 또는 제2코팅층에 의해 작동부의 다공성 기재의 두께를 조절하는 것에 의해 개화의 정도를 조절할 수도 있다. 도 5에서 확인할 수 있듯이 다공성 기재의 두께가 얇을수록 유체에 의한 팽창 정도가 작기 때문에 개화의 정도도 작게 된다.

본 발명의 액추에이터는 유체유입부로 유체가 유입되어야 작동이 개시된다. 따라서 줄기부에서의 유체의 이동 속도를 제어하는 것에 의해 본 발명의 소프트 로봇의 개화시기를 조절할 수 있다. 본 발명자들은 등록특허 제10-1662802호에서 종이칩에서 유로의 깊이를 조절하는 것에 의해 유체의 이동속도를 제어할 수 있음을 보고한 바 있다. 즉, 유로의 깊이가 깊을수록 유체의 이동속도가 빠르고, 유로의 깊이가 낮아짐에 따라 유체의 이동 속도는 느리다. 따라서 줄기부에 왁스패턴을 형성하여 유로의 깊이를 낮춰 꽃잎부에 물이 도달하는 시간을 늦추는 것에 의해 개화시간을 지연시킬 수 있다. 도 5는 이를 반영한 소프트 로봇으로, b의 줄기부의 한쪽 면에 왁스를 열처리하여 전사하는 것에 의해 유로의 깊이를 감소시킨 것을 제외하고는 a와 b의 소프트 로봇은 모든 구성이 동일하다. 도 5에서 확인할 수 있듯이 줄기부에 지연유로를 형성하는 것에 의해 꽃받침부에 물이 도달하는 시간을 지연시킴으로써 개화가 지연되는 것을 확인할 수 있다.

줄기부에 지연유로를 구성하는 경우, 지연유로에서의 유로 깊이를 제어하는 것에 의해 구동 범위를 제어할 수 있다. 즉, 지연유로에서 유로의 깊이가 낮으면 낮을수록 유체의 이동속도가 늦어지므로 개화의 지연 효과 역시 증가하게 된다(도 6).

줄기부로부터 꽃받침부에 물이 도달하는 시간이 동일하다고 하더라도 유량이 많다면, 액추에이터로 공급되는 물의 유속이 빨라지므로 개화 속도가 빨라질 수 있다. 즉, 밴딩 구동이 시작되는 시간이 동일하더라도 완전한 밴딩 구동이 실현되는 데 소요되는 시간이 단축될 수 있다. 이는 소프트 로봇의 줄기부의 넓이를 조절하는 것에 의해 달성될 수 있다. 도 7은 b의 줄기부의 넓이가 a보다 넓다는 점을 제외하면, a와 b의 소프트 로봇의 모든 구성은 동일하다. 줄기부의 넓이가 증가함에 따라 꽃받침부에 제공되는 유량이 많아지고, 이로 인해 액추에이터의 유체공급부를 통한 유량 역시 증가하게 되므로 속도가 빨라지는 효과가 있다. 이에 개화가 개시되는 시간은 큰 차이가 없으나, 개화의 진행 속도는 a에 비해 b에서 증가하였다.

상기 구현예들에서는 줄기부와 액추에이터(즉, 꽃잎부)의 수를 4개로 고정하였으나, 필요에 따라 그 수를 적절히 선택할 수 있음은 당연하다. 또한 줄기부와 액추에이터를 교호적으로 배치하여 모든 꽃잎부가 동시에 작동하도록 하였으나, 배열 순서를 변경하여 일부 액추에이터에 먼저 물 공급이 되도록 하면 순차적 개화가 되도록 할 수 있다. 예를 들어 6개의 액추에이터를 방사상으로 배치하고, 줄기부를 4개만 배치한다면, 줄기부가 인접하지 않은 액추에이터는 줄기부에 인접한 액추에이터보다 늦게 물이 공급되므로 뒤늦게 작동할 것이다. 또한 하나의 액추에이터의 말단에 둘 이상의 꽃잎부를 형성하여 보다 풍성한 개화가 이루어질 수 있도록 할 수도 있다. 이와 같이 본 발명에서 예시한 소프트 로봇은 액추에이터, 줄기부와 꽃잎부의 수와 배열을 조절하는 것에 의해 다양한 형상의 개화를 실현할 수 있다.

도 8은 4개의 줄기부를 대칭으로 형성하기는 하였으나, 2개의 줄기부에는 전술한 지연유로를 도입하는 것에 의해 큰 꽃잎이 먼저 개화한 후 작은 꽃잎이 순차적으로 개화하도록 겹꽃을 모사한 소프트 로봇의 예시이다. 도 8의 왼쪽은 소프트 로봇의 제작을 위한 파라핀과 왁스의 패턴 및 종이 기재의 모양을 보여주는 것이고, 오른쪽 도면은 제작된 로봇의 모식도이다. 왁스 패턴이 형성되지 않은 줄기부의 유속은 왁스패턴이 형성된 줄기부보다 물이 빠르게 이동하므로 큰 꽃잎에 연결된 액추에이터가 먼저 밴딩 구동하고(①), 뒤이어 작은 꽃잎에 연결된 액추에이터가 순차적으로 밴딩 구동한다(②).

도 9는 도 8의 구조도에 의해 제작된 소프트 로봇의 실제 작동을 보여주는 도면이다. 구체적으로 하단의 꽃받침부에 연결된 액추에이터는 바깥쪽 꽃잎부(파란색 원)를, 상단의 꽃받침부에 연결된 액추에이터는 안쪽 꽃잎부(검은색 원)를 개화시킨다. 상단의 꽃받침부에 형성된 줄기부는 지연유로에 의해 하단의 꽃받침부에 형성된 줄기부에 비해 물이 느리게 이동한다. 그 결과 바깥쪽 꽃잎은 먼저 개화하고, 뒤이어 안쪽 꽃잎이 개화하게 된다.

본 발명의 개화하는 소프트 로봇은 추가로 지지부를 포함할 수 있다. 도 9에서 보여주는 것과 같이 지지부는 줄기부를 아래 방향으로, 꽃잎부는 위를 향하도록 액추에이터의 유체공급부 부근을 고정시키며 수면 위 또는 바닥에서 세워진 형상을 유지하도록 지지하는 역할을 한다. 수면 위에 위치할 경우, 상기 지지부는 물에 젖지 않고 물에 떠있는 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 모양이나, 크기 등은 적절히 조절할 수 있음은 당연하다.

본 발명의 개화하는 소프트 로봇은 단순히 장식용으로 사용할 수도 있으나, 물을 감지하기 위한 모니터링 장치로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 다른 꽃들과 함께 화병에 꽂아서 화병의 물이 일정 수위보다 낮아지는 것을 감지하여 화병에 물을 추가할 때를 알려주거나, 건조기의 물통에 장착하여 물이 일정 수위 이상이 되는 것을 감지하여 물통을 비우도록 하는 데 이용될 수 있다. 이외에도 물의 감지를 필요로 하는 것에 사용될 수 있다.

본 발명의 소프트 로봇의 일부 구성을 개질하는 것에 의해, 보다 유용한 기능성을 부여할 수 있다. 모세관 현상으로 물이 이동하기 위해서는 기재가 친수성이어야 한다. 따라서, 상기 개화하는 소프트 로봇은 줄기부를 표면개질하여 친수성-소수성을 조절하는 것에 의해 꽃받침부로의 물의 유입 여부를 제어할 수 있다. 친수성-소수성을 조절하는 것은 단순히 키토산과 같은 소수성 물질을 사용하여 소수성으로 표면개질을 할 수도 있고, 혹은 RSC Adv., 2021, 11, 3556-3566에 기재된 방법을 응용하여 키토산으로 표면개질한 후 추가로 탄닌산을 처리하여 소수성의 정도를 조절할 수도 있다. 줄기부의 표면개질은 모세관 현상에 의한 물의 이동을 제어하는 스위치 역할을 하기 때문에 다양한 분야에 응용이 가능하게 된다.

구체적인 예시로서, 만일 줄기부가 소수성으로 개질되어 있다면, 줄기부를 통한 물의 이동이 제한되기 때문에 꽃받침부로 물이 공급되지 않고 결과적으로 액추에이터도 작동되지 않으므로 개화가 일어나지 않는다. 한편 중금속 이온은 분자 내 O, N과 같은 헤테로원자와 착물을 형성할 수 있다. 따라서 줄기부에 공급되는 물에 중금속 이온이 존재한다면 소수성 분자 중의 헤테로원자와 결합하여 착물을 형성하는 것에 의해 친수성으로 전환시킨다. 그 결과 줄기부를 통한 물의 이동이 가능하게 되어 개화가 일어난다. 이에 본 발명은 하나 이상의 본 발명에 의한 액추에이터; 상기 액추에이터의 유체공급부가 연결되어 있는 꽃받침부; 상기 꽃받침부에 일 말단이 연결되며, 타 말단이 물속에 잠기어 모세관 현상에 의해 꽃받침부를 통해 상기 유체공급부로 물을 전달하는 적어도 하나의 줄기부; 및 상기 액추에이터의 작동부의 말단에 형성된 비다공성의 꽃잎부;를 포함하며, 상기 적어도 하나의 각 줄기부의 일부 또는 전체 영역이 헤테로 원자를 포함하는 소수성 물질로 소수성 표면개질된 것을 특징으로 하는 소프트 로봇을 이용한 수질 모니터링 장치(2)를 제공한다. 본 발명의 장치에서 상기 액추에이터는 하나만 있어도 수질의 모니터링에는 충분하지만, 복수개로 형성하는 것이 더욱 바람직하다. 복수개의 액추에이터를 포함하는 경우, 꽃봉오리 모양의 형상을 만들 수 있으므로 미관상으로도 유리하며 더 나아가 하나의 액추에이터가 오작동하더라도 다른 액추에이터의 작동에 의해 모니터링을 수행할 수 있는 유리함이 있다.

또한 본 발명의 장치는 정상 작동을 확인할 수 있는 대조구를 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 대조구는 본 발명에 의한 하나 이상의 제2액추에이터(11); 일 말단이 물에 잠기며 상기 제2액추에이터의 유체공급부에 물을 공급하는 제2줄기부(32); 상기 액추에이터의 말단에 연결된 잎(50);을 포함한다. 대조구의 제2줄기부는 별도로 소수성 개질이 되어 있지 않아 액추에이터의 밴딩 구동에 의해 잎이 벌어질 수 있으므로, 액추에이터가 정상적으로 작동하는 지 확인할 수 있다. 또한 전술한 개화하는 소프트 로봇과 마찬가지로, 본 발명의 수질 모니터링 장치 역시 별도의 지지부를 포함할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예의 수질 모니터링 장치의 전개도와 이를 조립하였을 때 각 부분의 위치를 보여주는 도면이다. 상기 장치에서 소수성 개질은 키토산을 줄기부에 흡수시키는 것에 의해 수행하였다. 키토산은 다당류의 일종으로 O와 N 원자를 포함하지만 소수성 막을 형성하는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 수질 모니터링 장치에서 상기 소수성 개질은 예를 들면, 키토산을 이용하여 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 11은 물과 중금속으로 오염된 물에서의 작동을 동영상으로 촬영한 캡쳐이다. 중금속으로 오염된 물의 모델로는 50 mg/ml CuSO4 수용액을 사용하였다.

상기 작동 기작에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 수질 모니터링 장치는 물에서는 소수성 개질된 줄기부(31)로는 물이 전달되지 않으므로 개화는 하지 않고 잎만 제2액추에이터의 밴딩 구동에 의해 옆으로 벌어졌다. 반면, 오염수에서는 중금속을 함유한 물에서는 중금속과 소수성 개질된 물질과의 상호작용에 의해 소수성 물질이 친수성으로 전환됨에 따라 물이 줄기부를 따라 이동하고 액추에이터가 밴딩 구동하여 개화가 일어난 것을 확인할 수 있다. 검출하고자 하는 중금속의 농도에 따라 소수성 개질 농도나 범위 등을 조절할 수 있을 것이다.

1 : 소프트 로봇 2 : 수질 모니터링 장치
10 : 액추에이터 11 : 제2액추에이터
20 : 꽃받침부
30 : 줄기부
31 : 소수성 개질된 줄기부 32 : 제2줄기부
40 : 꽃잎부
50 : 잎

Claims (16)

1. 모세관 현상에 의해 유체를 이동시킬 수 있으며, 유체의 유입에 따라 부피가 팽창하는 가요성의 다공성 기재로 이루어진 작동부;
   상기 작동부의 일면에 형성되는 가요성의 비다공성 코팅층; 및
   상기 작동부의 일 말단에 유체를 공급하는 유체공급부;
   를 포함하며 유체공급부를 통한 유체의 유입에 따라 밴딩 구동되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가요성의 다공성 기재는 종이, 직물, 부직포 또는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 다공성 기재에 결이 존재하는 경우, 상기 작동부의 종방향은 다공성 기재의 결방향과 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 다공성 기재의 결방향과 상기 작동부의 종방향이 이루는 각도에 의해 밴딩 구동 범위가 제어되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 작동부의 길이에 의해 밴딩 구동 범위가 제어되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 작동부의 타면의 일부 또는 전체에 형성되는 비다공성 제2코팅층을 포함하며, 상기 가요성의 비다공성 코팅부와 비다공성 제2코팅층은 서로 접하지 않는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 작동부 전체 길이에 대한 제2코팅층의 길이에 의해 밴딩 구동 범위가 제어되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 제2코팅층을 이용하여 작동부의 다공성 부분의 두께를 제어하는 것에 의해 밴딩 구동 범위가 제어되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
9. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   하나의 유체공급부에 복수개의 작동부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
   
10. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체공급부로 공급되는 유체의 유입 유량에 의해 밴딩 구동 속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 소프트 액추에이터.
    
11. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 소프트 액추에이터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 소프트 로봇.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    복수개의 상기 소프트 액추에이터;
    상기 액추에이터의 유체공급부가 방사상으로 연결되어 있는 꽃받침부;
    상기 꽃받침부에 일 말단이 연결되며, 타 말단이 물속에 잠기어 모세관 현상에 의해 꽃받침부를 통해 상기 유체공급부로 물을 전달하는 적어도 하나의 줄기부; 및
    상기 액추에이터의 작동부의 말단에 형성된 비다공성의 꽃잎부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 소프트 로봇.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 줄기부의 표면개질에 의해 친수성-소수성을 조절한 것을 특징으로 하는 소프트 로봇.
    
14. 청구항 1에 의한 하나 이상의 액추에이터;
    상기 액추에이터의 유체공급부가 연결되어 있는 꽃받침부;
    상기 꽃받침부에 일 말단이 연결되며, 타 말단이 물속에 잠기어 모세관 현상에 의해 꽃받침부를 통해 상기 유체공급부로 물을 전달하는 적어도 하나의 줄기부; 및
    상기 액추에이터의 작동부의 말단에 형성된 비다공성의 꽃잎부;
    를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 각 줄기부의 일부 또는 전체 영역이 헤테로 원자를 포함하는 소수성 물질로 소수성 표면개질된 것을 특징으로 하는 소프트 로봇을 이용한 수질 모니터링 장치.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    청구항 1에 의한 하나 이상의 제2액추에이터;
    일 말단이 물에 잠기며 상기 제2액추에이터의 유체공급부에 물을 공급하는 제2줄기부;
    상기 액추에이터의 말단에 연결된 잎;
    을 추가로 포함하는 수질 모니터링 장치.
    
16. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 소수성 물질은 키토산인 것을 특징으로 하는 수질 모니터링 장치.