종이접기

USC 연구원들은 로봇 공학의 소프트 부품 동작을 측정하는 혁신적인 솔루션을 개발했습니다.

종이접기에서 영감을 얻은 스트레인 센서는 소프트 로봇과 상호 작용하는 방식을 바꿀 수 있습니다.

할리우드는 로봇 공학자들에게 영감을 주는 원천입니다. '아바타', '반지의 제왕'과 같은 영화에 등장하는 애니메이션 캐릭터의 놀랍도록 사실적인 움직임은 모션 캡처 기술을 사용하여 제작됩니다. 모션 캡처 기술은 배우에게 반사 마커를 부착하고 카메라로 캡처한 후 모션 데이터로 변환하여 이를 애니메이션 소프트웨어로 읽을 수 있습니다.

소프트 로봇 공학 분야에서는 로봇 팔의 근육과 같은 소프트 구성 요소의 변형 또는 모양 변화를 추적하는 데 비슷한 방법이 사용되었습니다. 카메라는 연구원들이 로봇의 움직임을 예측하고 제어하는 ​​데 중요한 정보인 신축성과 회복성을 측정할 수 있는 데이터를 수집할 수 있습니다.

문제는 다음과 같습니다. 이 프로세스는 실험실 외부에서는 거의 작동하지 않습니다. 로봇이 바다를 항해하거나, 우주에서 작동하거나, 인체 내에 갇혀 있는 경우 여러 대의 카메라를 설정하는 것이 항상 실용적인 것은 아닙니다.

이것이 바로 항공우주 및 기계 공학과와 Alfred E. Mann 생체 의학 공학과의 조교수로 이중 직책을 맡고 있는 Hangbo Zhao가 대안적인 접근 방식을 테스트하기로 결정한 이유입니다.

종이접기에서 영감을 받은 전극 디자인을 갖춘 스트레인 센서의 스케일 이미지

소프트 로봇공학 분야의 동료들과의 대화를 통해 Zhao와 그의 연구 그룹은 종이접기에서 사용되는 접는 패턴에서 영감을 받은 3D 전극을 사용하여 일반 센서보다 최대 3배 더 높은 변형률 범위를 측정할 수 있는 새로운 센서 설계를 개발했습니다. .

센서는 모양 변화와 적절한 기능을 추적하기 위해 의족의 기계적 힘줄부터 인간 내부 장기의 맥동 물질에 이르기까지 움직이는 연체에 부착할 수 있으며 카메라가 필요하지 않습니다.

결과 논문인 "종이접기에서 영감을 받은 3D 메조구조를 사용한 높은 신축성과 낮은 히스테리시스 변형률 센서"는 주요 저널인 Science Advances에 게재되었습니다.

Zhao는 “새로운 센서를 개발하기 위해 종이접기 원리를 적용한 소규모 3D 구조의 설계 및 제조에 대한 이전 작업을 활용했습니다.”라고 설명했습니다. "이를 통해 센서를 반복적으로 사용할 수 있으며 연체의 크고 동적 변형을 측정할 때에도 정확한 판독값을 제공할 수 있습니다."

Hangbo Zhao 교수와 논문의 첫 번째 저자인 Xinghao Huang, 기계 공학 박사 과정

기존 신축성 스트레인 센서는 일반적으로 고무와 같은 부드러운 재료를 사용합니다. 그러나 이러한 유형의 재료는 반복 사용을 통해 재료 특성에 돌이킬 수 없는 변화를 겪을 수 있어 변형 감지와 관련하여 신뢰할 수 없는 측정값이 생성될 수 있습니다.

하지만 센서 소재가 본질적으로 부드럽거나 신축성이 없다면 어떻게 될까요? 대신, 전극의 3D 구조는 늘어남과 풀림을 펼치고 접는 과정으로 변환합니다.

전극 기반 센서에 대한 Zhao의 독창적인 솔루션은 평평한 종이로 시연될 수 있습니다. 양쪽을 당기면 더 커지나요? 아니요? 그래서 신축성이 없습니다.

이제 종이를 반으로 접어주세요. 다시 열어보세요. 접힌 종이의 형태는 변하지만, 소재 자체가 실체적으로 변한 것은 아니다. 즉, 신축성보다 좋습니다.

전극이 펼쳐지면서 전기장의 세기가 포착됩니다. 팀이 개발한 모델은 이 판독값을 변형 측정값으로 변환합니다. 이 접근 방식은 기존 센서가 정확하게 식별할 수 없는 대규모 변형에 대응하는 데 이상적입니다. 접는 기술을 통해 소재의 변형 없이 크기를 가역적으로 높일 수 있습니다.

Zhao는 “우리는 공유 결합을 통해 3D 종이접기에서 영감을 받은 전극을 부드럽고 신축성이 있는 기판과 통합했습니다.”라고 설명했습니다. “이 독특한 조합을 통해 우리는 약 1.2%의 매우 낮은 히스테리시스로 최대 200% 변형률의 매우 큰 변형을 측정할 수 있습니다. 또한 22밀리초 이내에 매우 빠른 응답이 가능합니다.”