MIT 연구진, 3D 프린팅으로 실현 가능한 40년 된 삼각형 지퍼 개념을 부활시켜 형상 변형 로봇 및 전개 가능한 구조물 제작 — 3D

MIT의 Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) 연구진은 3D 프린팅된 흐물거리는 구조물을 몇 초 만에 단단하고 하중을 견딜 수 있는 형태로 변환하는 삼면 지퍼를 개발했습니다. “Y-Zipper”라고 불리는 이 메커니즘은 빔(beam), 아치(arch), 로봇 팔, 그리고 전개 가능한 프레임워크를 빠르게 조립할 수 있으며, 이는 적응형 로봇, 신속 전개 가능한 대피소, 그리고 재구성 가능한 의료 기기로 가는 문을 열어줄 잠재력을 가지고 있습니다.

2D에서 두 개의 평면을 연결하는 기존의 지퍼와 달리, Y-Zipper는 세 개의 유연한 팔을 결합하여 단단한 3D 삼각형 튜브를 만듭니다. 지퍼가 열려 있거나 풀려 있을 때, 구조물은 부드러운 플라스틱 스트립이나 흐물거리는 촉수처럼 작동하며 각 팔이 독립적으로 휘어지고 뒤틀립니다. 그러나 맞춤형 슬라이더(slider)로 지퍼를 잠그면, 팔들이 서로 맞물려 하중을 지탱할 수 있는 단단한 빔 형태의 구조를 형성합니다.

이 개념은 1985년 MIT 교수인 William Freeman에 의해 시작되었으며, 그는 텐트, 가구, 컨테이너와 같은 물체를 빠르게 조립하기 위한 삼각형 지퍼 시스템을 제안했습니다. 하지만 당시에는 제조 기술의 한계로 인해 이 디자인을 실용화하기 어려웠습니다. Freeman은 제조 기술이 결국 따라잡기를 바라며 이 디자인을 특허로 등록했습니다. 거의 40년이 지난 지금, 현대의 3D 프린터와 계산 설계(computational design) 도구 덕분에 연구진은 마침내 이 아이디어를 다시 검토할 수 있게 되었습니다.

CSAIL 팀은 사용자가 조립 후 지퍼가 어떻게 작동할지를 맞춤 설정할 수 있는 소프트웨어를 개발했습니다. 팔의 설계에 따라 이 메커니즘은 직선 막대, 아치, 코일 또는 뒤틀린 나사 모양의 구조를 형성할 수 있습니다. 세 개의 팔과 슬라이더를 포함한 이 시스템은 일반적인 폴리머(polymer) 재료를 사용한 3D 프린팅을 통해 전적으로 제작되었습니다.

이 시스템의 배후에 있는 공학적 원리는 비교적 간단합니다. 삼각형은 본질적으로 단단합니다. 구조 공학 (Structural engineering)은 삼각형이 평면이나 직사각형 구조보다 변형에 훨씬 더 잘 저항하기 때문에, 수십 년 동안 교량, 크레인, 타워 및 트러스 (truss)에서 삼각형 기하학 (triangular geometry)에 의존해 왔습니다. Y-Zipper는 폐쇄 과정에서 세 개의 유연한 팔을 삼각형 구성으로 강제함으로써 동일한 원리를 활용하며, 본질적으로 필요할 때마다 경량 구조 빔 (structural beam)을 조립합니다.

부드러운 상태와 단단한 상태 사이를 전환할 수 있는 이러한 능력은 로봇 공학 (robotics) 및 전개 가능한 시스템 (deployable systems)에 특히 유용합니다. 엔지니어들은 종종 동일한 메커니즘 내에서 유연성과 구조적 강성 (structural stiffness)을 결합하는 데 어려움을 겪습니다. 소프트 로봇 시스템 (Soft robotic systems)은 예측 불가능한 환경에 잘 적응하지만 강도가 부족한 경우가 많고, 단단한 시스템은 유연성을 희생하는 대신 안정성을 제공합니다. MIT의 설계는 이 두 가지를 결합하려고 시도합니다.

연구진은 모터를 통해 지퍼 메커니즘을 작동시켜 높이와 강성을 변경할 수 있는 다리가 달린 로봇 4족 보행 동물 (robotic quadruped)을 시연했습니다. 이러한 시스템은 환경에 대응하여 사지의 기하학적 구조를 동적으로 조정함으로써 로봇이 고르지 않은 지형을 탐색하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

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연구팀은 또한 전개 가능한 구조물 (deployable structures)에서 시스템을 테스트했습니다. 한 시연에서 그들은 Y-Zipper를 사용하여 텐트와 같은 구조물을 빠르게 조립했으며, 여기서 삼면 메커니즘은 구조적 지지 프레임 (structural support frame)과 결합 시스템 (joining system) 역할을 모두 수행했습니다. 연구팀에 따르면, 지퍼가 구조물을 효과적으로 제자리에 딱 맞게 고정하기 때문에 설치 시간이 약 6분에서 1분 20초로 단축되었습니다.

의료 분야 응용 (Medical applications) 또한 또 다른 가능한 목표입니다. 연구진은 손목 캐스트 (wrist cast) 주위에 메커니즘을 감싸는 손목 캐스트 프로토타입을 제작하여, 사용자가 낮 동안에는 편안함을 위해 이를 느슨하게 풀었다가 밤에는 지지를 위해 다시 조일 수 있도록 했습니다.

공학적 응용 분야를 넘어, 이 시스템은 예술과 디자인을 위한 역동적인 움직이는 구조물도 제작할 수 있습니다. 한 프로토타입은 모터가 구조물을 위로 지퍼처럼 올림에 따라 "개화"하는 기계식 꽃과 유사한 형태를 보여주었습니다.

내구성 테스트 결과, 이 메커니즘은 고장 나기 전까지 약 18,000회의 지퍼를 올리고 내리는 사이클(zip-and-unzip cycles)을 견뎌냈습니다. 연구진에 따르면, 구조물의 탄성 거동 (elastic behavior)은 응력 (stress)을 한 곳에 집중시키는 대신 조립체 전체에 분산시키는 데 도움을 줍니다.

연구팀은 대중적인 3D 프린팅 재료인 폴리락틱산 (PLA)과 열가소성 폴리우레탄 (TPU)으로 제작된 구조물 버전을 평가했습니다. PLA는 더 무거운 하중을 더 효과적으로 처리한 반면, TPU는 더 큰 유연성을 제공했습니다. 향후 버전에서는 금속과 같은 더 강한 재료를 사용할 수 있으며 훨씬 더 큰 크기로 확장될 수 있습니다. 연구진은 또한 전개 가능한 우주선 구조물과 탐사 임무 중 암석 샘플을 잡을 수 있는 로봇 시스템을 포함하여, 가능한 항공우주 응용 분야를 제안했습니다.

이 연구는 4월에 열린 ACM Human Factors in Computing Systems (CHI) 컨퍼런스에서 발표되었으며, "Y-Zipper: 3D Printing Flexible–Rigid Transition Mechanism for Rapid and Reversible Assembly"라는 제목의 논문에 상세히 기술되었습니다.

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Etiido Uko는 빅테크와 PC 산업의 최신 업데이트를 다루는 Tom's Hardware의 뉴스 기고자입니다. 그는 기계 공학자이자 9년 이상의 문서화 및 보고 경력을 가진 시니어 기술 작가입니다. 그는 공학과 기술의 모든 것에 깊은 열정을 가지고 있으며, 가젯, 제조, 로봇 공학, 자동차 및 항공우주 분야의 전문가입니다.

좋아요, 이건 정말 멋지네요. 답글 달기

영상을 보면 형태가 미리 정의되어 있어야 할 것 같지만, 운송을 위해 쉽게 평평하게 펴거나 말 수 있을 것 같습니다.

만약 비틀림 하중 (twisting loads)을 견딜 수 있다면, 찌그러뜨릴 수 있는 스티어링 칼럼 (crush-able steering column)에 유용할지도 모르겠습니다.