서울대학교 공과대학은 기계공학부 조규진 교수(인간중심 소프트 로봇 기술 연구센터장 및 서울대 로보틱스 연구소 SNU RI 창립 멤버) 연구팀이 종이접기 구조에 인터레이싱 원리를 적용해, 부드럽게 접고 말아 콤팩트하게 보관하면서도 전개 시 매우 튼튼한 강도를 유지하는 ‘접고 말 수 있는 주름 구조’를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 지난 11월 26일 국제 저명 학술지 ‘사이언스 로보틱스’에 게재됐다.

연구 배경

줄자처럼 구조를 중심 허브에 말아 보관하는 롤링 방식은 구조를 콤팩트하게 보관할 수 있는 장점이 있다. 이러한 구조들은 보관 단계에서는 허브에 부드럽게 감기기 위해서 평평한 단면으로, 전개 단계에서는 구조의 처짐을 억제하기 위해 주름 단면으로 형상이 전환된다. 이는 평평한 종이는 유연하지만, 지그재그 주름을 만들면 인접 면들이 서로의 변형을 구속해 훨씬 튼튼해지는 것과 같은 원리다.

다만 일반적인 주름 구조를 겹겹이 접은 채로 허브에 감을 경우, 재료 두께로 인해 안쪽과 바깥쪽 층의 둘레 차이가 발생해 찌그러짐 및 구김이 생기기 때문에 주름을 펼쳐 1개 층의 평판 상태로 감는 것이 일반적이다. 따라서 주름 단면이 크고 길어질수록 구조적 강도는 증가하지만, 보관할 때 필요한 폭이 넓어지는 제약이 뒤따랐다.

연구 성과

연구팀은 이 한계를 넘기 위해 주름 구조에 인터레이싱 원리를 도입했다. 인터레이싱 구조란, 여러 구성 요소를 접착해 고정시키기보다 서로 교차시키고 맞물리도록 구성해, 요소들 사이 틈에서는 미끄러짐과 재배열이 가능하지만 맞물림 방향으로는 하중을 주고받아 단단하게 형태를 유지하는 엮임 기반 구조다.

연구팀은 길이 방향으로 평행하게 배열한 금속 패널들을 서로 붙이지 않고 리본으로 촘촘히 엮어, 고리(루프) 형태의 인터레이싱 조인트를 만들었다. 부드럽지만 튼튼한 리본으로 구성된 인터레이싱 조인트는 패널 간 조밀한 구속을 제공한다. 따라서 튼튼한 접이식 주름 구조를 만들면서도, 동시에 루프 틈을 따라 패널들의 국소 미끄러짐을 허용해 겹겹이 접힌 상태에서도 허브에 부드럽게 감기도록 한다.

그 결과, 층간 둘레 차로 인한 응력 집중을 미끄러짐으로 풀어주면서, 엮임의 조밀한 밀도가 단면 안정성을 높여 전개 시 높은 강도를 확보할 수 있었다. 연구팀은 단단한 소재 패널을 리본으로 엮는 방식을 통해 아무리 많은 주름을 가진 구조라도 겹겹이 접어 부드럽게 말아 보관할 수 있다고 설명했다.

기대 효과

연구팀은 단순한 이론 제시에 그치지 않고, 단일 모터로 구동되는 ‘길어지는 로봇 팔’을 실제로 제작해 ‘인터레이싱 종이접기’ 구조가 다양한 전개형 로봇 시스템에 적용 가능함을 보였다.

첫째, 로봇 청소기 크기의 소형 모바일 로봇에 적용해 수납 시에는 낮은 높이를 유지하다가 팔을 전개하면 선반 정리·엘리베이터 버튼 누름과 같은 높은 위치의 작업을 수행하는 데모를 선보였다. 이 기술이 상용화되면 로봇 청소기는 바닥 먼지만 치우는 기기를 넘어, 아이들의 장난감 정리나 세탁물 옮기기 등 집 안 곳곳에서 손이 많이 가는 일을 대신해 주는 ‘팔 달린 가사 로봇’으로 확장될 수 있다.

둘째, 지름 약 1m, 높이 약 1m의 모바일 로봇이 목표 위치에 도달한 뒤, 밑변 약 3.2m, 높이 약 3.4m의 정삼각뿔 프레임으로 전개돼 높이 약 2.5m 구조물을 출력하는 모바일 3D 프린팅 로봇 데모를 제시했다. 연구진은 이번 연구를 통해 달·화성처럼 사람이 직접 가기 어려운 환경에서 로봇이 스스로 건축물을 세우고 이동하는 미래 건설 시스템의 가능성도 연 것이다. 이러한 사례들은 콤팩트하게 작은 부피로 보관되면서도 전개 시에는 높은 강도 덕분에 실제 작업 하중을 견딜 수 있는 구조가 필요한 경우 이번 연구 성과가 직접적 도움을 줄 수 있음을 보여준다.

연구진 의견

연구의 공동 주저자인 정순필 박사(현 서울대학교 재학)와 송재영 석사(현 한국조선해양 근무)는 “직물처럼 교차·맞물리는 인터레이싱 원리를 접힘 구조에 적용해 다층 구조의 층간 둘레 차 문제를 구조적으로 흡수하도록 설계했다”며 “그 결과 접고 말아 보관하는 이중 압축 방식으로 콤팩트한 보관이 가능하면서도, 전개 시 촘촘한 엮임으로 높은 강도를 확보하는 종이접기 구조를 구현했다”고 말했다.

연구책임자인 조규진 교수는 “우리는 종종 휴머노이드라는 한 가지 형태에 해법을 기대하지만, 현장의 많은 문제는 환경과 과업에 따라 달라진다”며 “이번 결과는 형태를 바꾸어 공간과 과업에 맞게 전개되는 로봇이 피지컬 AI의 실용 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다”고 밝혔다.

연구진 진로

정순필 박사는 현재 서울대학교 바이오로보틱스 실험실에서 박사후연구원으로 이 구조를 더 개량해 실제 로봇청소기에 로봇 암으로서 장착되기 위한 연구를 진행 중이다.

송재영 석사는 현재 HD한국조선해양 자율제조로봇 연구실에서 로봇을 이용한 조선 공정의 자동화를 수행하고 있다.

한편 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받는 한국연구재단(NRF)의 연구과제(RS-2023-00208052)의 지원을 받아 수행됐다.