소프트 로봇의 진화를 이끄는 5가지 핵심 기술
경직된 금속 관절과 딱딱한 동작으로 대표되던 전통적인 로봇의 시대는 이미 저물었다. 과거의 로봇은 움직임이 직관적이지 않고 공간 활용도가 낮아, 산업 현장에서 생산성과 효율성을 제한해 왔다. 특히 설치와 유지·관리에 넓은 공간이 필요하다는 점은 큰 제약으로 작용했다.
이러한 한계를 극복하며 등장한 것이 유체 로봇(Fluid robot), 즉 소프트 로봇(Soft robot)이다. 소프트 로봇은 유연한 소재와 생체 모방 기술을 기반으로 좁은 공간에서도 높은 기동성과 자연스러운 움직임을 구현하며 로봇 활용의 지평을 넓히고 있다.
이 같은 혁신의 배경에는 상대적으로 주목받지 않았던 핵심 기술 요소들이 존재한다.
미국 로봇 전문 매체 더로봇리포트(The Robot Report)는 18일(현지시간), 소프트 로봇의 움직임을 가능하게 하는 5가지 핵심 메커니즘을 소개했다.
이 매체는 소프트 로보틱스를 끊임없이 진화하는 분야로 규정하며, 현재까지 가장 큰 영향을 미친 기술로 △공압 인공 근육(PAM) △스트레인 웨이브 기어 △중앙 패턴 생성기(CPG) △전기활성 고분자(EAP) △형상 기억 합금(SMA)을 꼽았다.
◇ 소프트 로봇 움직임이 중요한 이유
기존 로봇의 이동 방식은 섬세함이 요구되는 환경에서 한계를 드러냈다. 외과 수술이나 응급 구조와 같이 위험하고 복잡한 현장에서는 보다 유연하고 안전한 도구가 필요하지만, 전통적인 기계식 로봇은 이러한 요구를 충족하기 어려웠다.
소프트 로봇공학은 인간과 로봇 간 협업을 강화하고, 복잡한 작업을 보다 안정적으로 수행할 수 있도록 돕는다. 또한 생물학적으로 직관적인 움직임을 구현해 좁은 공간에서도 효율적인 작업이 가능하다.
이러한 특성 덕분에 소프트 로봇은 다양한 산업 분야에서 높은 확장성을 갖추고 있으며, 적은 단계의 동작만으로도 목표를 달성해 에너지 효율 역시 향상시킨다. 이러한 성능의 기반이 되는 핵심 기술들을 살펴보면 다음과 같다.
1. 공압 인공 근육(PAM)
공압 인공 근육(Pneumatic Artificial Muscles·PAM)은 기존의 구조화된 모터를 대체할 수 있는 부드러운 구동 장치다. 폐처럼 팽창과 수축을 반복하며, 내부 공기량 조절을 통해 자연스러운 움직임을 만들어낸다.
공기압을 지속적으로 조절할 수 있어 움직임이 직관적이며, 인간 근육과 유사한 구조를 구현해 로봇의 물리적 한계를 극복한다.
대표 사례로는 독일 자동화 기업 훼스토(Festo)의 E-트렁크(E-Trunk) 로봇이 있다. 이 로봇 팔은 여러 개의 PAM을 통해 일반적인 금속 관절 로봇으로는 구현하기 어려운 굽힘과 비틀림 동작을 수행한다. 기존 로봇 팔이 금속 관절 간 마찰로 인해 제약을 받았던 것과 달리, PAM의 소프트 소재는 고유한 유연성을 제공했다.
2. 스트레인 웨이브 기어
스트레인 웨이브 기어(Strain Wave Gear)는 기존 모터를 보완하거나 대체할 수 있는 유연한 감속 장치다. 웨이브 발생기와 톱니 구조를 활용해 타원형 움직임을 만들어내며, 로봇 관절의 움직임을 보다 부드럽게 한다.
이 기어는 플렉스 스플라인 톱니와 원형 스플라인 구조를 활용해 백래시(backlash)가 거의 없는 설계를 가능하게 한다. 이로 인해 떨림 없는 안정적인 동작이 구현된다.
대표적인 적용 사례로는 유니버설 로봇(Universal Robots)의 UR5 시리즈가 있다. 스트레인 웨이브 기어는 관절 탄성을 높이는 데 중요한 역할을 하며, 마찰을 줄이기 위한 추가 연구와 감속기 활용을 통해 성능 개선이 이어지고 있다.
3. 중앙 패턴 생성기(CPG)
중앙 패턴 생성기(Central Pattern Generator·CPG)는 소프트 로봇 제어의 핵심 요소다. 소프트웨어 또는 하드웨어 형태로 구현되며, 현대 로봇에서는 주로 신경망 기반으로 설계된다.
CPG는 척추 동물의 움직임을 모방해 반복적인 동작 패턴을 자동으로 생성하며, 로봇의 이동을 보다 자연스럽게 만든다. 엔지니어가 파동 기반 명령을 입력하면, CPG는 이를 부드럽게 해석해 동작으로 전환한다.
스위스 로잔연방공대(EPFL) 연구진이 개발한 양서류 로봇 살라만드라 로보티카 II는 CPG를 활용해 수영과 보행 모드를 자연스럽게 전환하는 모습을 시연한 대표 사례다.
4. 전기활성 고분자(EAP)
전기활성 고분자(Electroactive Polymers·EAP)는 소프트 로봇의 움직임을 가능하게 하는 핵심 소재다. 전기 자극에 반응해 형태가 변하며, 별도의 기계적 장치 없이 근육과 유사한 움직임을 구현할 수 있다.
이 소재는 어색한 동작이나 과도한 윤활유 사용과 같은 기존 로봇의 문제를 해결할 수 있어 ‘스마트 소재’로 평가받는다. 미 항공우주국(NASA)은 1999년 EAP 기반 손가락을 가진 파지(gripping) 로봇을 개발한 바 있다.
5. 형상 기억 합금(SMA)
형상 기억 합금(Shape Memory Alloys·SMA)은 열이나 전기 자극에 따라 형태가 변하고, 특정 조건에서 원래 모양으로 되돌아오는 금속 소재다. 자극이 가해진 뒤에는 명령이 있을 때까지 형태를 유지할 수 있다.
SMA는 실시간 환경 변화에 적응할 수 있어 소프트 로봇에 필요한 부품 수를 줄여준다. 분자 수준에서 움직임을 제어해 보다 부드럽고 역동적인 동작을 구현할 수 있다.
하버드대 연구진은 SMA를 웨어러블 로봇에 적용해 인간의 팔꿈치와 팔뚝 굴곡을 보조하는 연구를 진행 중이며, 일상생활과 산업 현장에서의 활용 가능성이 기대되고 있다.
이들 기술은 현세대 소프트 로봇의 움직임을 구현하는 핵심 요소의 일부에 불과하다. 다양한 혁신 기술들이 결합되며, 유연하고 적응력 높은 로봇은 산업 현장의 작업 방식 자체를 변화시키고 있다.
이러한 기술의 기반을 이해하는 것은 로봇 개발자와 시스템 통합업체가 미래 로봇의 청사진을 개선하고, 더 뛰어난 기동성과 역량을 갖춘 로봇을 개발하는 데 중요한 단서가 될 것으로 보인다.
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