이 논문은 표적 닦기(targeted wiping)와 자외선-C(ultraviolet-C, UV-C) 조사 방법을 통해 병원 소독을 향상시키기 위해 고안된 혁신적인 자율주행 로봇의 등장을 탐구한다. 이러한 발전의 필요성은 COVID-19 팬데믹을 통해 강조되었으며, 그 과정에서 낮은 준수율, 신체적 피로, 인력 부족, 그리고 소독 작업자에 대한 병원체 노출 위험 증가와 같은 문제들이 드러났다. UV-C 조사 이동 로봇과 과산화수소 증기(hydrogen peroxide vapor) 방식 등 전통적인 소독 접근법은 효과적이지만, 그늘진 구역과 표면 오염물과 같은 장애물을 해결하는 데는 한계가 있다. 이러한 공백을 메우기 위해, 우리는 오염물을 제거하기 위한 물리적 닦기와 닦기에 덜 적합한 영역을 위한 표적 UV-C 조사를 결합한 새로운 로봇을 제안한다. 우리의 개발 노력은 소독 효능을 최적화하고, 실제 병원 현장에서의 적용을 위해 로봇의 신뢰성을 확보하는 데 집중되었다. 본 자율 소독 로봇의 성능과 사용성은 포항 세인트메리 병원(Pohang St. Mary’s Hospital)에서 철저히 평가되었으며, 전통적 소독 업무에 첨단 로봇 보조를 더함으로써 병원 소독 관행을 변화시킬 잠재력을 보여주었다.

액추에이터는 로봇의 필수 구성요소로, 로봇과 그 환경 사이의 운동을 가능하게 한다. 얇고 유연한 형상을 가진 액추에이터는 더 다양한 환경에서 작동할 수 있으며, 다자유도 액추에이터는 보다 복잡한 운동을 생성할 수 있다. 본 연구에서는 표면에 서로 다른 운동 벡터장을 생성할 수 있는 얇고 유연한 시트 형태의 연성(soft) 공압 액추에이터를 제안한다. 해당 액추에이터는 수십 개의 얇은 공압 챔버를 포함하며, 이를 얇은 본체 내부에서 연결하는 다채널 공압 회로가 내장되어 있어, 입력 압력을 복잡한 표면 운동으로 변환한다. 압력 시퀀스에 따라 표면 운동을 여섯 가지 서로 다른 방향에서, 서로 다른 속도로, 서로 다른 거리 범위에 걸쳐 생성할 수 있다. 제안한 액추에이터의 유용성은 좁은 관에서의 장애물 제거, 손안에서의 조작(in-hand manipulation), 수중 물체 운반과 같은 과제를 통해 입증된다.

산업 환경에서 디지털 트윈(DT)을 구현하는 것은 특히 직접적인 물리적 상호작용이 요구되는 작업에서 상당한 도전 과제를 수반한다. 이는 시스템 고장으로 인해 심각한 인적 및 경제적 손실로 이어질 수 있는 고위험 환경에서 매우 중요하며, 사소한 오류조차도 치명적인 결과를 초래할 수 있는 상황이기 때문이다. 전통적인 로봇 원격조작 시스템은 대개 직관적인 제어를 제공하지 못하고 광범위한 훈련이 필요하여 오작동 및 사고의 위험을 증가시킨다. 본 연구는 고철 생산의 DT 기반 원격조작을 도입함으로써 이러한 문제를 해결하고자 하며, 특히 위험한 덩어리 철(lump iron) 제거 공정을 대상으로 한다. 우리는 두 가지의 새로운 햅틱 인터페이스를 제시한다. POstick-KF는 향상된 운동감각(kinesthetic) 피드백을 제공하고, POstick-VF는 시각-촉각(visuo-tactile) 피드백과 함께 더 넓은 작업 공간을 제공한다. 이들 인터페이스는 실제 공구를 모사하도록 설계되어 직관적인 제어와 신속한 작업자 훈련이 가능하다. 사용자 연구 결과, POstick-VF는 초보자에서 추적 정확도를 유의하게 향상시키는 반면, POstick-KF는 경험 유무와 무관하게 상호작용 성능에서 우수함을 보였다. 특히 POstick-VF는 시간이 지남에 따라 상호작용 기술을 향상시키며, 더 단순한 시스템임에도 POstick-KF와 필적하는 성능을 달성하였다. 이들 인터페이스는 견고성을 보장하기 위해 엄격하게 검증되었고, 현재 실제 적용을 위한 현장 테스트가 진행 중이다. 본 연구 결과는 고위험 산업 환경에서 DT 기반 원격조작의 안전성과 효율성을 달성할 수 있는 이러한 햅틱 장치의 잠재력을 부각하며, 해당 분야에서 의미 있는 진전을 이룬다.

조직공학은 학제 간 분야로서 생물학적 대체물을 개발함으로써 조직의 기능을 회복, 유지 또는 향상시키는 것을 목표로 한다. 최적의 미세환경을 구축하기 위해, 바이오제작(biofabrication)은 다양한 생체 세포와 생체재료를 활용하여 다중 규모의 3차원 구조를 구성할 수 있도록 하는 혁신적인 기술로 인식된다. 이 분야에서의 핵심 과제는 연질 물질(soft matter)을 정밀하게 조립하는 것으로, 부드럽고 유연한 조직 구조를 만들기 위해 필수적이며 기능성 조직과 장기를 구현하는 데 결정적으로 중요하다. 본 리뷰는 이러한 과제를 해결하기 위해 로봇 시스템의 활용이 증가하고 있는 점에 초점을 맞추고, 조직 조립을 위한 연질 물질의 조작에 로봇 시스템이 적용되는 방식을 탐색한다. 로봇 기술은 연질 물질을 정밀하고 제어된 방식으로 취급할 수 있는 혁신적인 해결책을 제공한다. 본 리뷰에서는 로봇 시스템이 복잡한 장기를 제작하는 데 어떻게 활용될 수 있는지, 자연 조직의 구조적 및 기능적 복잡성을 재현하는 과정에서의 역할을 상세히 논의한다. 나아가 로봇 보조 조직공학의 최신 발전을 검토함으로써, 본 리뷰는 장기 제작을 혁신할 수 있는 로봇의 잠재력을 강조하고 이 분야의 오랜 난제를 해결할 수 있는 유망한 해법을 제시한다. 이러한 기술적 진전은 기능성 조직과 장기를 공학적으로 구현할 수 있는 역량을 지니며, 임상 적용을 위한 상당한 중개 가능성을 제공한다.

이 논문은 환경적 제약 조건에서 물체를 파지하기 위한 적응형 손가락 메커니즘을 제시한다. 제안된 손가락은 병렬 그리퍼에 용이하게 장착될 수 있도록 설계되어, 따라서 단일 선형 작동 시스템으로 구동할 수 있다. 제안된 손가락 메커니즘을 장착한 병렬 그리퍼는 다양한 물체 형상에 대한 자기 적응 능력과 환경적 제약과의 상호작용 능력을 특징으로 한다. 또한 환경과의 상호작용 능력에 근거하여, 적응적 집게질(adaptive pinching)과 떠받치기(scooping)와 같은 인간의 파지 접근에서 영감을 받은 로봇 파지 전략을 구현한다. 특히 그리퍼의 대칭 및 비대칭 구성에 대응하는 두 가지 형태의 떠받치기 접근을 소개한다. 이를 위해, 제안된 손가락 메커니즘에는 손가락 컴플라이언스를 위한 수직 이동을 합성함과 동시에 집게질 자세와 떠받치기 자세 사이에서 손끝이 보이는 고유한 전이 운동을 생성하기 위해, 평행사변형과 결합된 Hart의 연결기구(Hart’s linkage mechanism)를 적용한다. 이러한 두 자유도는 완전히 수동적이며, 알려지지 않은 물체 또는 환경적 제약 조건에 적응할 수 있다. 제안된 손가락 메커니즘의 작동 원리, 한계 및 설계 지침은 운동학 및 정역학을 통해 분석한다. 완전 시제품화된 양손가락 그리퍼는 여러 시연 시나리오에서 평가되어, 환경적 제약 조건 하에서 임의의 형상을 가진 물체에 대해 인간에서 영감을 받은 파지 수행이 검증된다.

접착의 전환 제어는 로봇 조작, 의료용 접착제, 확장 가능한 마이크로조립과 같은 다수의 요구되는 응용에서 중요한 특성이다. 본 연구에서는 형상기억고분자 표면으로 이루어진 나노팁 기반의 전환 가능한 건식 접착을 다룬다. 이 과정은 접착의 역설, 즉 형상기억 효과를 통해 표면 거칠기를 제어하는 현상을 단순히 극복하는 것을 넘어 이를 활용하는 데 기반한다. 여기서 조밀하게 배열된 날카로운 나노팁은 초기 높은 표면 거칠기를 유발하나, 가열, 가압 및 냉각을 통해 평탄화되어 낮은 표면 거칠기를 제공함으로써 강한 접착을 형성한다. 그러나 평탄화된 나노팁은 재가열 시 원래의 형상을 회복하여 높은 표면 거칠기를 다시 유도하고, 그 결과 3자릿수 이상의 접착 전환성을 보이며 약한 접착을 초래한다. 이러한 전환 가능한 접착 능력은 매크로 스케일의 로봇 집기-놓기 및 섬유 접착제부터 결정론적 미세 스케일의 소자 등급 실리콘 플레이틀릿(platelet) 전사 및 microLED 조립에 이르기까지 다양한 응용에서 시연된다.

본 논문은 감각운동 능력의 회복 및 향상을 위한 생체 내(in-vivo) 연구를 목적으로 하는, 케이블 구동 설치형 로덴트(rodent) 발목 보조기 시스템을 새롭게 제안한다. 이 시스템은 동작을 형상화하고 고유감각(kinesthetic) 피드백을 제공하기 위한 경량의 액추에이터 분리형(actuator-decoupled) 보조기를 갖추고 있으며, 보행 분석을 위한 비전(vision) 시스템과 피드백 제어형 트레드밀(treadmill)을 포함한다. 마취 상태와 깨어있는 조건에서 수행한 실험은 자연 보행에 대한 최소한의 간섭으로 효과적인 제어가 가능함을 보여주었다. 동적 시간 워핑(dynamic time warping, DTW) 거리와 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficients)를 계산하여, 자연 보행에서의 관절각과 수동 및 능동 보조기 구성 요소를 모두 착용한 쥐에서의 관절각 간의 유사성을 평가하였다. 조건과 무관하게 무릎 관절은 낮은 DTW 거리와 높은 상관을 보인 반면, 세 개의 모든 관절은 능동 구성 요소가 결합되었을 때 자연 보행에서 더 큰 최대값을 나타내었다. 이러한 결과는 동물 모델에서 착용형 로보틱스(wearable robotics)가 미치는 생리적 영향에 대한 유용한 통찰을 제공하며, 감각운동 재활 기술의 발전에 기여한다.

촉각 햅틱 장치는 원격 로봇 텔레오퍼레이션의 제어 인터페이스로 널리 사용되며, 원격 로봇과 환경 간 상호작용을 직관적으로 구현한다. 특히, 피부(절연) 감각 피드백 장치는 고정성의 내재적 안정성을 제공하면서 운동감각(키네스테틱) 피드백 인터페이스에 비해 더 작은 형태 요건을 갖는다. 그러나 산업 현장에서 피부 피드백 장치를 구현하는 경우, 숙련되지 않은 로봇 조작으로 인해 잠재적으로 설비 사고가 발생하여 상당한 경제적 손실로 이어질 수 있으므로 이를 엄격히 검증해야 한다. 본 논문은 고위험 강(steel) 생산 작업을 위해 특별히 설계된 새로운 비지지형(un-grounded) 햅틱 제어 인터페이스(POstick-VF)를 제시한다. POstick-VF는 넓은 작업 공간에서 시각-촉각 피드백을 제공하며, 실제 공구와의 운동학적 유사성을 통해 안전을 보장하면서 직관적인 로봇 조작을 가능하게 한다. 개발된 POstick의 성능은 현장에 설치된 유압 로봇을 대상으로 수행한 실험을 통해 엄격하게 검증되며, 기존 조이스틱 제어기와 비교된다.

로봇은 구조화되지 않은 환경에서 인간과 함께 작업하고, 자유 및 구속 운동을 모두 포함하는 복잡한 작업을 수행할 것이 점점 더 요구되고 있다. 자유 운동에서의 정확한 추적과 상호작용 시의 순응성은 성공적인 작업 수행과 안전을 위한 제어 목표로서 필수적이다. 본 연구는 힘/토크(F/T) 센서나 관절 토크 센서에 의존하지 않으면서 이러한 목표를 달성하는 새로운 제어 구조를 제시한다. 제안된 방법은 비선형 방해관측기(DOB) 구조를 수정하여, 외생적 힘 모니터링을 기반으로 방해 보상을 조절하며, 사전 추정된 보상 영역을 사용하여 방해 힘과 상호작용 힘을 구별한다. 알려지지 않은 환경에서의 안정적인 접촉을 보장하기 위해, 수동성 분석에 기반한 보상 조절 방법을 제공한다. 또한 우리는 추적 성능을 저해하지 않으면서 상호작용 힘을 감소시키는 속도 의존적 보상 영역 추정 방법을 가우시안 과정(Gaussian process)을 사용하여 제안한다. 안정성 분석 결과, 균일한 궁극적으로 유계(uniformly ultimately bounded, UUB) 거동을 달성할 수 있음을 보인다. 제안 접근법의 유효성은 6-DOF 협동로봇을 사용하여 검증하였다.

이 논문은 표적 닦기(targeted wiping)와 자외선-C(ultraviolet-C, UV-C) 조사 방법을 통해 병원 소독을 향상시키기 위해 고안된 혁신적인 자율주행 로봇의 등장을 탐구한다. 이러한 발전의 필요성은 COVID-19 팬데믹을 통해 강조되었으며, 그 과정에서 낮은 준수율, 신체적 피로, 인력 부족, 그리고 소독 작업자에 대한 병원체 노출 위험 증가와 같은 문제들이 드러났다. UV-C 조사 이동 로봇과 과산화수소 증기(hydrogen peroxide vapor) 방식 등 전통적인 소독 접근법은 효과적이지만, 그늘진 구역과 표면 오염물과 같은 장애물을 해결하는 데는 한계가 있다. 이러한 공백을 메우기 위해, 우리는 오염물을 제거하기 위한 물리적 닦기와 닦기에 덜 적합한 영역을 위한 표적 UV-C 조사를 결합한 새로운 로봇을 제안한다. 우리의 개발 노력은 소독 효능을 최적화하고, 실제 병원 현장에서의 적용을 위해 로봇의 신뢰성을 확보하는 데 집중되었다. 본 자율 소독 로봇의 성능과 사용성은 포항 세인트메리 병원(Pohang St. Mary’s Hospital)에서 철저히 평가되었으며, 전통적 소독 업무에 첨단 로봇 보조를 더함으로써 병원 소독 관행을 변화시킬 잠재력을 보여주었다.

액추에이터는 로봇의 필수 구성요소로, 로봇과 그 환경 사이의 운동을 가능하게 한다. 얇고 유연한 형상을 가진 액추에이터는 더 다양한 환경에서 작동할 수 있으며, 다자유도 액추에이터는 보다 복잡한 운동을 생성할 수 있다. 본 연구에서는 표면에 서로 다른 운동 벡터장을 생성할 수 있는 얇고 유연한 시트 형태의 연성(soft) 공압 액추에이터를 제안한다. 해당 액추에이터는 수십 개의 얇은 공압 챔버를 포함하며, 이를 얇은 본체 내부에서 연결하는 다채널 공압 회로가 내장되어 있어, 입력 압력을 복잡한 표면 운동으로 변환한다. 압력 시퀀스에 따라 표면 운동을 여섯 가지 서로 다른 방향에서, 서로 다른 속도로, 서로 다른 거리 범위에 걸쳐 생성할 수 있다. 제안한 액추에이터의 유용성은 좁은 관에서의 장애물 제거, 손안에서의 조작(in-hand manipulation), 수중 물체 운반과 같은 과제를 통해 입증된다.

산업 환경에서 디지털 트윈(DT)을 구현하는 것은 특히 직접적인 물리적 상호작용이 요구되는 작업에서 상당한 도전 과제를 수반한다. 이는 시스템 고장으로 인해 심각한 인적 및 경제적 손실로 이어질 수 있는 고위험 환경에서 매우 중요하며, 사소한 오류조차도 치명적인 결과를 초래할 수 있는 상황이기 때문이다. 전통적인 로봇 원격조작 시스템은 대개 직관적인 제어를 제공하지 못하고 광범위한 훈련이 필요하여 오작동 및 사고의 위험을 증가시킨다. 본 연구는 고철 생산의 DT 기반 원격조작을 도입함으로써 이러한 문제를 해결하고자 하며, 특히 위험한 덩어리 철(lump iron) 제거 공정을 대상으로 한다. 우리는 두 가지의 새로운 햅틱 인터페이스를 제시한다. POstick-KF는 향상된 운동감각(kinesthetic) 피드백을 제공하고, POstick-VF는 시각-촉각(visuo-tactile) 피드백과 함께 더 넓은 작업 공간을 제공한다. 이들 인터페이스는 실제 공구를 모사하도록 설계되어 직관적인 제어와 신속한 작업자 훈련이 가능하다. 사용자 연구 결과, POstick-VF는 초보자에서 추적 정확도를 유의하게 향상시키는 반면, POstick-KF는 경험 유무와 무관하게 상호작용 성능에서 우수함을 보였다. 특히 POstick-VF는 시간이 지남에 따라 상호작용 기술을 향상시키며, 더 단순한 시스템임에도 POstick-KF와 필적하는 성능을 달성하였다. 이들 인터페이스는 견고성을 보장하기 위해 엄격하게 검증되었고, 현재 실제 적용을 위한 현장 테스트가 진행 중이다. 본 연구 결과는 고위험 산업 환경에서 DT 기반 원격조작의 안전성과 효율성을 달성할 수 있는 이러한 햅틱 장치의 잠재력을 부각하며, 해당 분야에서 의미 있는 진전을 이룬다.

조직공학은 학제 간 분야로서 생물학적 대체물을 개발함으로써 조직의 기능을 회복, 유지 또는 향상시키는 것을 목표로 한다. 최적의 미세환경을 구축하기 위해, 바이오제작(biofabrication)은 다양한 생체 세포와 생체재료를 활용하여 다중 규모의 3차원 구조를 구성할 수 있도록 하는 혁신적인 기술로 인식된다. 이 분야에서의 핵심 과제는 연질 물질(soft matter)을 정밀하게 조립하는 것으로, 부드럽고 유연한 조직 구조를 만들기 위해 필수적이며 기능성 조직과 장기를 구현하는 데 결정적으로 중요하다. 본 리뷰는 이러한 과제를 해결하기 위해 로봇 시스템의 활용이 증가하고 있는 점에 초점을 맞추고, 조직 조립을 위한 연질 물질의 조작에 로봇 시스템이 적용되는 방식을 탐색한다. 로봇 기술은 연질 물질을 정밀하고 제어된 방식으로 취급할 수 있는 혁신적인 해결책을 제공한다. 본 리뷰에서는 로봇 시스템이 복잡한 장기를 제작하는 데 어떻게 활용될 수 있는지, 자연 조직의 구조적 및 기능적 복잡성을 재현하는 과정에서의 역할을 상세히 논의한다. 나아가 로봇 보조 조직공학의 최신 발전을 검토함으로써, 본 리뷰는 장기 제작을 혁신할 수 있는 로봇의 잠재력을 강조하고 이 분야의 오랜 난제를 해결할 수 있는 유망한 해법을 제시한다. 이러한 기술적 진전은 기능성 조직과 장기를 공학적으로 구현할 수 있는 역량을 지니며, 임상 적용을 위한 상당한 중개 가능성을 제공한다.