우리는 아직 정교한 로봇을 방해하는 작업을 위해 하루 종일 손을 사용하는 것에 대해 두 번 생각하지 않는다. 반쯤 깨어 있을 때 흘리지 않고 커피를 붓고, 섬세한 천을 찢지 않고 세탁물을 개는 것이다.

우리 손의 복잡성은 부분적으로 감사할 일이다. 이것은 생물학 공학의 경이로움이다. 단단한 뼈대는 모양과 온전함을 유지하고 손가락이 무게를 지탱할 수 있게 해준다. 근육과 인대와 같은 연조직은 민첩성을 부여한다. 진화 덕분에 이러한 모든 "생체 재료"는 스스로 조립된다.

이를 인위적으로 재현하는 것은 또 다른 문제이다.

과학자들은 3D프린팅으로 더 잘 알려진 적층 가공을 사용하여 손에서 심장까지 복잡한 구조를 재현하려고 노력해 왔다. 그러나 여러 재료를 하나의 인쇄 프로세스에 통합하면 이 기술이 제대로 작동하지 않는다. 예를 들어, 로봇 손을 3D프린팅하려면 여러 대의 프린터(하나는 뼈대를 만들고 다른 하나는 연조직 재료에 사용)와 부품 조립이 필요하다. 이러한 여러 단계로 인해 제조 시간과 복잡성이 증가한다.

과학자들은 오랫동안 다양한 재료를 단일 3D프린팅 프로세스로 결합하려고 노력해 왔습니다. ETH 취리히의 소프트 로봇 연구소 팀이 방법을 찾았다.

팀은 일반 사무용 프린터와 동일한 기술을 기반으로 하는 3D 잉크젯 프린터에 머신 비전을 장착하여 다양한 재료에 빠르게 적응할 수 있었다. 비전 제어 분사라고 불리는 이 접근 방식은 인쇄 중에 구조의 모양에 대한 정보를 지속적으로 수집하여 재료 유형에 관계없이 다음 레이어를 인쇄하는 방법을 미세 조정한다.

테스트에서 팀은 합성 손을 한 번에 3D프린팅했다. 뼈대, 인대, 힘줄로 완성된 손은 손가락 끝에서 압력을 "느끼면" 다양한 물체를 잡을 수 있다.

그들은 또한 챔버, 일방향 밸브, 성인 심장의 약 40% 속도로 유체를 펌핑하는 능력을 갖춘 인간의 심장과 같은 구조를 3D프린팅했다.

이번 연구는 “매우 인상적”이라고 이번 연구에 참여하지는 않았지만 관련 논평을 쓴 유타 대학의 공 용린(Yong Lin Kong) 박사는 네이처(Nature)에 말했다. 그는 3D 잉크젯 프린팅은 이미 성숙한 기술이지만 이번 연구에서는 머신 비전을 통해 이 기술의 기능을 더 복잡한 구조와 다양한 재료로 확장할 수 있음을 보여준다.

3D 잉크젯 프린팅의 문제점

기존 방법을 사용하여 구조를 다시 만드는 것은 지루하고 오류가 발생하기 쉽다. 엔지니어들은 주형을 주조하여 원하는 모양(예: 손의 뼈대)을 만든 다음 초기 구조를 다른 재료와 결합한다.

이는 신중한 보정이 필요한 매우 힘든 과정이다. 캐비닛 도어를 설치하는 것과 마찬가지로 오류가 발생하면 한쪽으로 치우쳐진다. 로봇 손처럼 복잡한 것의 결과는 오히려 프랑켄슈타인일 수 있다.

또한 전통적인 방법으로 인해 다양한 특성을 지닌 재료를 통합하기가 어렵고 합성 손처럼 복잡한 것에 필요한 미세한 디테일이 부족한 경향이 있다. 이러한 모든 제한은 로봇 손과 기타 기능적 구조가 수행할 수 있는 작업을 제한한다.

그러다가 3D 잉크젯 프린팅이 등장했다. 이러한 프린터의 일반적인 버전은 고해상도로 사진을 인쇄하는 사무용 프린터와 마찬가지로 수십만 개의 개별 제어 노즐을 통해 액체 수지 재료를 짜낸다. 레이어가 인쇄되면 UV 광선이 수지를 "고정"시켜 수지를 액체에서 고체로 바꾼다. 그런 다음 프린터는 다음 레이어에서 작업을 시작한다. 이러한 방식으로 프린터는 미세한 수준에서 3D 개체를 층별로 만든다.

믿을 수 없을 만큼 빠르고 정확하지만 이 기술에는 문제가 있다. 예를 들어, 서로 다른 재료를 함께 묶는 데는 좋지 않다. 기능성 로봇을 3D프린팅하려면 엔지니어는 여러 프린터를 사용하여 부품을 프린팅한 후 조립해야 한다. 또는 초기 구조를 프린팅하고 부품 주위를 주조하고 원하는 특성을 가진 추가 유형의 재료를 추가할 수 있다.

한 가지 주요 단점은 각 레이어의 두께가 항상 동일하지 않다는 것이다. "잉크" 속도의 차이, 노즐간 간섭, "세팅" 과정의 수축 등으로 인해 미세한 차이가 발생할 수 있다. 그러나 이러한 불일치로 인해 더 많은 레이어가 추가되어 개체가 오작동하고 인쇄 오류가 발생한다.

엔지니어들은 블레이드나 롤러를 추가하여 이 문제를 해결한다. 도로 공사 중에 새로 놓인 콘크리트를 평평하게 만드는 것과 마찬가지로 이 단계는 다음 단계가 시작되기 전에 각 층을 수평으로 만든다. 불행히도 해결책은 다른 문제와 함께 제공된다. 롤러는 일부 재료에만 호환되기 때문에(다른 재료는 스크레이퍼를 망가뜨리므로) 사용할 수 있는 재료의 범위가 제한된다.

이 단계가 전혀 필요하지 않으면 어떻게 되는가?

상을 바라보는 눈

팀의 솔루션은 머신 비전이다. 여분의 재료를 긁어내는 대신 인쇄하는 동안 각 레이어를 스캔하면 시스템이 실시간으로 작은 실수를 감지하고 보정하는 데 도움이 된다.

머신 비전 시스템은 4대의 카메라와 2대의 레이저를 사용하여 미세한 해상도로 인쇄 표면 전체를 스캔한다.

이 프로세스는 프린터가 자체적으로 수정하는 데 도움이 된다고 팀은 설명했다. 재료가 너무 많거나 너무 적은 위치를 파악함으로써 프린터는 다음 레이어에 증착되는 잉크의 양을 변경하여 본질적으로 이전의 "움푹 들어간 곳"을 채울 수 있다. 그 결과 추가 재료를 긁어낼 필요가 없는 강력한 3D 프린팅 시스템이 탄생했다.

3D 프린터에 머신비전이 사용된 것은 이번이 처음이 아니다. 그러나 새로운 시스템은 이전 시스템보다 660배 더 빠르게 스캔할 수 있으며 성장하는 구조물의 물리적 형태를 1초 이내에 분석할 수 있다고 공(Kong)은 썼다. 이를 통해 3D 프린터는 인쇄 중에 복잡한 구조를 지원하지만 나중에 제거되는 물질을 포함하여 훨씬 더 큰 재료 라이브러리에 액세스할 수 있다.

번역하자자면, 이 시스템은 이전 기술보다 훨씬 빠르게 차세대 생체모방 로봇을 프린팅할 수 있다.

테스트로 팀은 두 가지 유형의 재료, 즉 뼈대 역할을 하는 견고한 하중 지지 재료와 힘줄과 인대를 만들기 위한 부드러운 구부릴 수 있는 재료로 합성 손을 프린트했다. 그들은 공기압으로 손의 움직임을 제어하기 위해 손 전체에 채널을 인쇄했으며 동시에 터치(기본적으로 손가락 끝)를 감지하기 위한 멤브레인을 통합했다.

그들은 손을 외부 전기 부품에 연결하고 이를 작은 걷는 로봇에 통합했다. 압력을 감지하는 손끝 덕분에 펜이나 빈 플라스틱 물병 등 다양한 물체를 집어들 수 있다.

이 시스템은 또한 여러 개의 챔버가 있는 인간과 유사한 심장 구조를 인쇄했다. 합성 심장에 압력을 가할 때 생물학적 심장과 마찬가지로 체액을 펌핑했다.

모든 것이 한 번에 인쇄되었다.

다음 단계

이 결과는 이미 성숙한 상태에 있는 기술의 돌파구처럼 느껴지기 때문에 매우 흥미롭다고 공(Kong)은 말했다. 수십 년 동안 상업적으로 이용 가능했지만 머신 비전을 추가하는 것만으로도 기술에 새로운 생명을 불어넣을 수 있다.

"흥미롭게도 이러한 다양한 샘플은 단 몇 가지 재료를 사용하여 인쇄되었다."라고 그는 덧붙였다. 연구팀은 인쇄할 수 있는 재료를 확장하고 인쇄 중 감지 및 움직임을 위한 전자 센서를 직접 추가하는 것을 목표로 하고 있다. 이 시스템은 생물학적 활성 분자 코팅을 손 표면에 분사하는 등 다른 제조 방법도 통합할 수 있다.

ETH Zurich의 교수이자 새 논문의 저자인 로버트 카츠슈만(Robert Katzschmann)은 시스템의 광범위한 사용에 대해 낙관적이다. “의료용 임플란트를 생각할 수도 있고…조직 공학의 프로토타입 제작에 이것을 사용할 수도 있다.”라고 그는 말했다. “기술 자체가 성장할 뿐이다.”

이미지 출처: ETH 취리히/토마스 부흐너