연성 센서가 로봇과 생체 구조 사이의 성능 격차를 단축할 수 있게 하는 핵심 특징은 물리적 변형 가능성(deformability)과 물리적 변화(measurable physical changes)를 측정할 수 있는 능력이다. 이러한 센서를 장착한 로봇은 환경과 안전하고 체감( proprioceptive )적으로 상호작용할 수 있다. 이와 같은 이유로 인간-로봇 상호작용(human-robot interactions)에 적용하기 위한 높은 신장성(high stretchability)을 갖춘 새로운 센서의 개발에 대한 관심이 촉발되었다. 본 연구는 500%를 초과하는 변형률을 측정할 수 있는 새로운 초연성(ultrasoft) 광전자(opt oelectronic) 분절(segmented) 센서 설계를 제시한다. 이 센서는 비대칭적으로 구성된 연성 고유감각(soft proprioceptive) 세그먼트와 물리적으로 결합된 초고신장성(ultrastretchable) 세그먼트를 특징으로 한다. 이러한 구성은 높은 변형률을 측정하고, 굽힘(bending)의 크기와 방향 모두를 감지할 수 있게 해준다. 센서는 이러한 변형 유형들을 분리하여(decouple) 측정할 수는 없지만, 신장(stretching)과 굽힘(bending)이 결합된 처방된 동작을 감지할 수 있다. 제안된 센서는 고도로 변형 가능한 가위(scissor) 메커니즘과, 로봇 팔을 위한 인간-로봇 인터페이스(HRI) 장치에 적용되어 복잡한 상호작용에서의 매개변수를 정량화할 수 있었다. 또한 실험 결과는, 기계 학습(machine learning)과 함께 사용할 때 제안된 분절 센서 개념이 잠재력을 갖고 있음을 보여주었으며, 인간과의 다층적 상호작용 동안 로봇에 새로운 차원의 고유감각(proprioception)을 제공할 수 있음을 시사한다.

다중모달 감지가 가능한 연성 광전자 센서는 높은 반복성을 지니고 있어 변형 가능한 센서가 필요한 응용 분야에 매력적인 선택이 된다. 그러나 이러한 센서의 약점은, 광 신호를 그 코어를 통과시키기 위해 지속적으로 전기 전력 입력을 공급해야 한다는 점이며, 이는 휴대용 기기에서 과도한 전력 요구로 이어질 수 있다. 신호 전파에 매우 낮은 전력이 필요한 적외선(IR) 스펙트럼 신호를 사용하면 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있다. 하지만 연성 광전자 센서는 외부 광원에 의해 쉽게 교란될 수 있으며, 교차 간섭이 발생하기도 한다. 또한 IR 기반 센서는 IR 파장이 일반적으로 연성 광 도파관에 사용되는 클래딩 재료를 침투할 수 있으므로 이러한 간섭에 더 취약하다. 본 논문에서는 다중모달 감지를 위한 착색된 클래딩(pigmented cladding)을 갖춘, 고도로 늘릴 수 있는 저전력 IR 기반 연성 광전자 스트레처블 센서를 제시한다. IR 스펙트럼 신호를 사용함으로써, 가시 스펙트럼 기반 광전자 센서가 소비할 전력의 일부만을 소비하게 된다. 이 센서들의 도파관 클래딩으로 착색된 엘라스토머를 사용하여, 매우 높은 내구성을 갖게 한다. 또한 이러한 센서는 상당한 외부 교란이 있더라도 접촉력을 제어할 수 있는 회복력 있는 소프트 로봇 그리퍼에 내장되어 있다.

연성(soft)이고 순응(compliant)하는 재료로 제작된 로봇은, 고유한 안전성으로 인해 특히 인간–로봇 협업 환경에서 전통적인 경직( rigid ) 로봇에 대한 유망한 대안을 제공한다. 공압 인공근육(Pneumatic Artificial Muscles, PAMs)은 상당한 힘을 생성할 수 있는 순응형 구동기로서 이 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 그러나 이러한 유형의 구동기는 넓은 운동 범위에서 양방향 힘을 생성하는 데 여전히 과제를 안고 있다. 본 논문에서는 중첩(nested) 구조를 이용한 텔레스코픽(telescopic) 구조의 3차원(3-D) 프린팅 PAM을 소개한다. 구동기의 큰 체적 변형은 양의 압력과 음의 압력을 사용하여 높은 양방향 힘을 생성할 수 있게 하며, 동시에 상당한 신장 및 수축 비율을 통해 넓은 운동 범위를 제공한다. 3-D 프린팅의 사용은 설계 및 제작 과정을 단순화할 뿐만 아니라 대량 생산과 산업적 적용에서의 중대한 이점도 제공한다. 제안된 구동기는 신장 비율 447.1%에서 659 N의 신장 차단(force blocked) 힘을 생성하며, 수축 비율 76.9%까지 최대 7 kg의 하중을 포함하여 수축할 수 있다. 또한 구동기의 회전 구성도 제시되며, 차단 토크(blocked torque)는 18.5 Nm이다. 이러한 구동기들은 이후 로봇 매니퓰레이터를 위한 그리퍼 및 신장 가능 링크에 구현되었다.

본 논문은 능동 제어 없이도 거의 일정한 힘을 생성할 수 있는 수동 힘 생성 요소로 작동하는, 오리가미에서 영감을 받은 새로운 진공 공압 액추에이터를 제시한다. 이 액추에이터는 강성 패싯과 내부 보강재를 포함하는 Yoshimura 패턴 필름 구조로 제작되며, 일정한 진공 조건에서 큰 수축 스트로크와 일관된 힘 출력을 가능하게 한다. 설계의 핵심 특징은 프리-진공 상태로 밀봉된 작동으로, 외부 압력 조절 없이도 전체 스트로크 동안 내부 압력을 안정적으로 유지한다는 점이다. 안정적인 수동 압력과 안정적인 등압(이소바릭) 힘의 결합은 액추에이터가 일정하고 수동적으로 생성하는 힘을 결과로 만든다. 에너지 보존 및 보일의 법칙에 기반한 수치 모델을 제시하여 등압 조건 및 정질량(상수 질량) 조건 모두에서 액추에이터의 거동을 예측한다. 실험적 검증은 모델의 정확성을 확인하며, 고정된 고(高) 정질량 압력에서 액추에이터의 안정적인 힘 출력이 달성됨을 보여준다. 또한 이 액추에이터는 쪼그려 앉기와 상체 숙이기 동작 동안 허리 아래쪽의 부담을 줄이기 위한 착용형 지지 슈트에 구현되었다. 본 연구는 연성 로보틱스 원리를 활용한 수동 구동의 새로운 접근을 보여주며, 보조 착용형 장치에서의 잠재적 응용 가능성을 제시한다.

소프트 로보틱스에서 양압과 음압을 모두 사용하는 압력 구동 액추에이터는 높은 탑재하중-대-중량비와 넓은 작동 범위를 특징으로 하나, 별도의 전원원을 필요로 한다. 이중 압력을 생성하는 단일 펌프 시스템은 유망한 해결책이지만, 결합 동역학으로 인한 압력 변동을 해결하는 문제는 여전히 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 넓은 범위에서 두 압력을 모두 추종할 수 있는 강화학습(RL) 기반 제어기를 제안한다. RL 학습을 용이하게 하기 위해, 공기 유동 동역학뿐만 아니라 펌프의 운동학과 공압 구성요소의 전자기적 거동을 모델링하는 시뮬레이터를 구축하였다. 제안한 제어기는 Model-Predicted Observation (MPObs)를 사용하여 입력의 향후 영향을 예측하고 비선형성을 완화하며, Conditioning for Action Policy Smoothness (CAPS) 기반 동작 평활화로 입력의 급격한 변화를 줄인다. 실험 결과, 제안된 RL 제어기는 양(+) 압력과 음(−) 압력에 대해 각각 0.6935 kPa, 0.2646 kPa의 제곱평균제곱근 오차(root-mean-square error, RMSE)를 달성하여 Disturbance Observer(DOB) 기반 접근법보다 우수함을 보였다. 제거 실험(ablation)에서는 MPObs와 CAPS의 상호 시너지 효과가 확인되어, 제어에서 이들의 중요성이 강조된다. 또한 0~20 kg의 외부 하중을 가한 강건성 시험에서 양(+) 압력과 음(−) 압력의 최대 RMSE가 각각 0.7906 kPa 및 0.1186 kPa로 나타나 강한 강건성을 시사한다. 본 연구는 제안된 RL 기반 제어기가 공압 전원원의 비선형적 문제를 극복함을 검증하며, 현장 적용을 위한 향후 단독형 시스템으로의 잠재력을 부각한다.

연성 로봇 레이어 재밍(layer jamming) 장치는 재밍 층에 진공 압력을 가함으로써 제어된 이동 제한을 가능하게 한다. 그러나 전통적인 진공 기반 레이어 재밍 시스템은 재밍 층의 접촉 면적이 감소함에 따라 변형 전반에 걸쳐 힘이 감소하는 등의 한계가 있으며, 초기 길이에 해당하는 범위 내에서만 길이 증가가 가능하다는 제약이 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하는 롤형 레이어 재밍 장치(rollable layer jamming device, RLJD)를 제안한다. 이 장치는 재밍 층을 릴(reel) 내부에 컴팩트하게 저장함으로써 롤링 및 적층된 필름을 활용하여 선형 신장(linear extension)의 한계를 극복한다. 또한, 변형이 진행되는 동안 폴리머와 층 사이의 마찰력은 반경이 감소할수록 증가하므로 인장력도 증가하여, 기존 레이어 재밍 시스템에서 관찰되는 힘 감소 문제를 효과적으로 해결한다. 본 논문에서는 장치 제조 공정에 대해 상세히 기술하고, 장치 성능을 예측하는 해석적 모델을 제시하며, 다양한 장치 파라미터에 대한 실험 결과를 제시한다. RLJD는 들어 올리고 물체를 운반할 때 상지와 허리 하부에 모두 지지력을 제공하는 웨어러블 로봇으로 성공적으로 통합되었다.

연성 센서가 로봇과 생체 구조 사이의 성능 격차를 단축할 수 있게 하는 핵심 특징은 물리적 변형 가능성(deformability)과 물리적 변화(measurable physical changes)를 측정할 수 있는 능력이다. 이러한 센서를 장착한 로봇은 환경과 안전하고 체감( proprioceptive )적으로 상호작용할 수 있다. 이와 같은 이유로 인간-로봇 상호작용(human-robot interactions)에 적용하기 위한 높은 신장성(high stretchability)을 갖춘 새로운 센서의 개발에 대한 관심이 촉발되었다. 본 연구는 500%를 초과하는 변형률을 측정할 수 있는 새로운 초연성(ultrasoft) 광전자(opt oelectronic) 분절(segmented) 센서 설계를 제시한다. 이 센서는 비대칭적으로 구성된 연성 고유감각(soft proprioceptive) 세그먼트와 물리적으로 결합된 초고신장성(ultrastretchable) 세그먼트를 특징으로 한다. 이러한 구성은 높은 변형률을 측정하고, 굽힘(bending)의 크기와 방향 모두를 감지할 수 있게 해준다. 센서는 이러한 변형 유형들을 분리하여(decouple) 측정할 수는 없지만, 신장(stretching)과 굽힘(bending)이 결합된 처방된 동작을 감지할 수 있다. 제안된 센서는 고도로 변형 가능한 가위(scissor) 메커니즘과, 로봇 팔을 위한 인간-로봇 인터페이스(HRI) 장치에 적용되어 복잡한 상호작용에서의 매개변수를 정량화할 수 있었다. 또한 실험 결과는, 기계 학습(machine learning)과 함께 사용할 때 제안된 분절 센서 개념이 잠재력을 갖고 있음을 보여주었으며, 인간과의 다층적 상호작용 동안 로봇에 새로운 차원의 고유감각(proprioception)을 제공할 수 있음을 시사한다.