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“내 손바닥에서 먹을 수 있게 해 줄게”는 로봇에게서 들을 수 없는 엉뚱한 발언입니다. 왜? 대부분 로봇은 손바닥이 없거든요.
프로테우스 분야에 계속 관심을 가졌다면, 인간처럼 움켜쥐고 잡는 것은 헤라클레스의 지속적인 노력이었습니다. 이제 MIT의 컴퓨터 과학 및 인공지능 연구실(CSAIL)에서 개발된 새로운 로봇 손 디자인은 종종 간과되는 손바닥을 재고했습니다. 새로운 디자인은 매우 민감한 터치를 위한 고급 센서를 사용하여 “극단”이 더 자세하고 섬세한 정밀도로 물체를 다룰 수 있도록 돕습니다.
GelPalm은 손바닥에 내장된 젤 기반의 유연한 센서를 가지고 있으며, 인간 손의 부드럽고 변형 가능한 특성에서 영감을 얻었습니다. 이 센서는 물체에 빛을 비추기 위해 빨간색, 초록색, 파란색 LED를 사용하는 특수한 컬러 조명 기술과 반사를 포착하기 위한 카메라를 사용합니다. 이 혼합물은 정밀한 로봇 상호 작용을 위한 세부적인 3D 표면 모델을 생성합니다.
그리고 손바닥은 촉진하는 손가락이 없다면 어떻게 될까요? 이 팀은 또한 유연한 소재와 손바닥과 유사한 감지 기술을 갖춘 ROMEO(“RObotic Modular Endoskeleton Optical”)라는 로봇 지골을 개발했습니다. 손가락은 “수동적 컴플라이언스”라고 하는 것을 가지고 있는데, 이는 로봇이 모터나 추가 제어 없이도 자연스럽게 힘에 적응할 수 있는 경우입니다. 이는 더 큰 목표, 즉 물체와 접촉하는 표면적을 늘려 물체를 완전히 감싸는 데 도움이 됩니다. 3D 프린팅을 통해 단일의 모놀리식 구조로 제조된 손가락 디자인은 비용 효율적인 생산입니다.
GelPalm은 향상된 손재주 외에도 물체와의 안전한 상호작용을 제공합니다. 이는 인간과 로봇의 협업, 보철물, 생물의학적 용도를 위한 인간과 유사한 감지 기능을 갖춘 로봇 손과 같은 잠재적 응용 분야에 특히 유용합니다.
이전의 많은 로봇 설계는 일반적으로 손가락의 민첩성을 향상시키는 데 초점을 맞췄습니다. Liu의 접근 방식은 초점을 옮겨 더 자연스럽게 물체와 상호 작용하고 더 광범위한 작업을 수행하는 더 인간적이고 다재다능한 엔드 이펙터를 만듭니다.
GelPalm의 수석 설계자이자 CSAIL 제휴자이자 기계 공학 박사 과정 학생인 최근 MIT 졸업생 Sandra Q. Liu SM ’20, PhD ’24는 “우리는 딱딱한 뼈를 부드럽고 유연한 조직으로 둘러싼 인간의 손에서 영감을 얻었습니다.”라고 말합니다. “딱딱한 구조와 변형 가능하고 유연한 재료를 결합함으로써 우리는 숙련된 손과 같은 적응적 재능을 더 잘 구현할 수 있습니다. 가장 큰 장점은 손바닥의 변형을 작동시키기 위해 추가 모터나 메커니즘이 필요하지 않다는 것입니다. 고유한 유연성 덕분에 인간의 손바닥이 능숙하게 움직이는 것처럼 물체에 자동으로 맞춰집니다.”
연구자들은 손바닥 디자인을 시험에 적용했습니다. Liu는 ROMEO 손가락에 통합된 두 가지 다른 조명 시스템(파란색 LED 대 흰색 LED)의 촉각 감지 성능을 비교했습니다. Liu는 “두 가지 모두 물체를 젤 표면에 눌렀을 때 비슷한 고품질 3D 촉각 재구성을 보였습니다.”라고 말합니다.
하지만 중요한 실험은 다양한 손바닥 구성이 얼마나 잘 물체를 감싸고 안정적으로 잡을 수 있는지 조사하는 것이었다고 그녀는 말한다. 팀은 실제로 플라스틱 모양에 페인트를 바르고 딱딱한, 구조적으로 유연한, 젤 유연한, 이중 유연한 디자인의 네 가지 손바닥 유형에 눌러 넣었다. “시각적으로, 그리고 페인트칠된 표면 영역 접촉을 분석함으로써, 손바닥에 구조적 및 재료적 유연성이 모두 있으면 다른 것보다 훨씬 더 많은 그립을 제공한다는 것이 분명했습니다.”라고 Liu는 말한다. “안정적인 그립을 달성하는 데 있어 손바닥의 역할을 극대화하는 우아한 방법입니다.”
한 가지 주목할 만한 한계는 손바닥에 충분한 감각 기술을 통합하면서도 부피가 크거나 지나치게 복잡하게 만들지 않는 것입니다. 카메라 기반 촉각 센서를 사용하면 크기와 유연성에 문제가 발생한다고 연구팀은 말합니다. 현재 기술은 디자인과 기능의 절충 없이 광범위한 적용 범위를 쉽게 허용하지 않기 때문입니다. 이 문제를 해결하려면 거울에 더 유연한 소재를 개발하고 센서 통합을 강화하여 기능을 유지하면서도 실용적인 사용성을 손상시키지 않아야 합니다.
컬럼비아 대학교의 Matei Ciocarlie 부교수는 논문에 참여하지 않았지만 “대부분 로봇 손의 개발에서 손바닥은 거의 완전히 간과됩니다.”라고 말했습니다. “이 연구는 관절과 감지라는 두 가지 주요 기능을 결합한 의도적으로 설계된 유용한 손바닥을 도입했기 때문에 주목할 만합니다. 반면 대부분의 로봇 손바닥에는 둘 다 없습니다. 인간의 손바닥은 미묘하게 관절이 움직이고 매우 민감하며, 이 연구는 이 방향에서 관련 혁신입니다.”
“저는 우리가 부드럽고 단단한 요소를 촉각적 민감성과 혼합한 더욱 진보된 로봇 손으로 나아가기를 바랍니다. 이상적으로는 앞으로 5~10년 안에요. 최고의 손 디자인에 대한 명확한 합의가 없는 복잡한 분야이기 때문에 이 작업이 특히 스릴 넘칩니다.”라고 Liu는 말합니다. “GelPalm과 ROMEO 손가락을 개발할 때, 저는 다양한 디자인을 장려하기 위해 모듈성과 이전성에 집중했습니다. 이 기술을 저렴하고 제조하기 쉽게 만들면 더 많은 사람들이 혁신하고 탐구할 수 있습니다. 이 광대한 분야에서 단 하나의 연구실과 한 사람으로서, 제 꿈은 이 지식을 공유함으로써 발전을 촉진하고 다른 사람들에게 영감을 줄 수 있다는 것입니다.”
뇌 및 인지 과학과의 시각 과학 John and Dorothy Wilson 교수이자 CSAIL 회원인 Ted Adelson은 이 연구를 설명하는 논문의 수석 저자입니다. 이 연구는 Toyota Research Institute, Amazon Science Hub 및 SINTEF BIFROST 프로젝트의 일부 지원을 받았습니다. Liu는 이번 달 초에 열린 International Conference on Robotics and Automation(ICRA)에서 이 연구를 발표했습니다.