< 실제 딱정벌레를 모사한 비틀봇(BeetleBot)의 구성 및 작동 모식도 >

손가락을 굽혔다 펴며 작은 로봇을 움직이고, 로봇이 보내오는 영상과 접촉 정보를 확인하며 물체를 집어 옮기는 기술이 나왔다. 딱정벌레를 모사한 소형 소프트로봇에 인공근육과 카메라, 촉각센서를 결합한 것으로, 향후 사람이 접근하기 어려운 좁은 공간을 살피거나 작은 물체를 회수하는 원격 작업에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

우리 대학은 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공과대학교(칼텍·Caltech) 웨이 가오(Wei Gao) 교수 연구팀, 싱가포르 난양공과대학교(NTU) 히로타카 사토(Hirotaka Sato) 교수 연구팀과 공동으로 소형 소프트로봇 ‘비틀봇(BeetleBot)’을 개발했다고 13일 밝혔다.

< 구동·감지·제어 기능이 통합된 소형 소프트로봇과 로봇 제어용 손가락 센서 패치 >

사람은 물체를 잡을 때 눈으로 위치를 확인하고 손끝의 감각으로 접촉 상태를 살핀다. 로봇도 주변 상황에 맞춰 작업하려면 움직이는 기능과 감지하는 기능이 연결돼야 한다. 그러나 부드러운 소재를 활용하는 소프트로봇에서는 구동·감지·제어 기능이 따로 구현되거나 복잡한 장치를 사용하는 경우가 많아, 작은 로봇으로 통합하는 데 어려움이 있었다.

공동연구진은 생체근육처럼 수축하는 인공근육으로 로봇을 걷게 하고 물체를 잡도록 설계했다. 여기에 카메라와 압력센서, 손가락에 부착하는 신축성 센서 패치를 연계해 사용자가 로봇의 주변 상황과 물체 접촉 정보를 확인하며 조종할 수 있도록 했다.

< 손가락 센서 패치를 이용한 비틀봇의 전진·좌·우회전 및 물체 파지 제어 >

연구팀은 먼저 딱정벌레의 다리 근육과 관절 움직임의 관계를 분석하고, 이를 비틀봇의 인공근육 배치와 다리 구조에 반영했다. 열을 받으면 수축하는 고분자 소재인 액정탄성체(LCE·Liquid Crystal Elastomer)를 3D 프린팅해 인공근육을 제작하고, 전기로 열을 발생시키는 구동 모듈을 결합했다. 각 부위의 인공근육을 독립적으로 움직이고 작동 순서를 조절해 전진 및 방향 전환 움직임을 구현했다.

딱정벌레가 먹이를 붙잡는 데 사용하는 집게 모양의 큰턱을 본떠, 부드러운 로봇 집게인 ‘소프트 그리퍼’를 만들었다. 여기에 인공근육과 압력센서를 결합해 물체를 잡고 접촉 상태를 감지하도록 했다.

인공근육이 수축하면 집게가 움직여 물체를 잡고, 압력센서는 물체와 접촉할 때 가해지는 압력을 감지한다. 물체가 센서를 누르면 내부 전극 사이의 간격과 전기적 특성이 달라지는 원리로 접촉 상태를 확인한다.

로봇 조종에는 손가락 움직임에 따라 전기저항이 달라지는 신축성 센서 패치를 사용했다. 손가락을 굽혀 패치가 늘어나면 내부 탄소나노튜브(CNT)의 전도 경로가 변하면서 저항 신호가 달라진다. 연구팀은 이 신호를 전진·좌회전·우회전·물체 집기 네 가지 명령으로 구분하고, 블루투스로 비틀봇에 전달해 해당 동작을 수행하도록 했다.

사용자는 로봇에 탑재된 소형 카메라로 주변 영상을 확인하고, 집게의 압력센서가 보내는 정보로 물체와의 접촉 상태를 살필 수 있다. 이 정보를 바탕으로 다음 동작을 결정해 손가락 움직임으로 명령을 보낸다. 사용자의 명령이 로봇으로 전달되고, 로봇이 감지한 정보가 다시 사용자에게 돌아오는‘양방향 피드백’을 구현한 것이다.

연구진은 이러한 제어 방식을 이용해 비틀봇이 장애물을 피해 목표 물체에 접근하고, 물체를 잡아 운반하는 작업을 시연했다. 인공근육 기반의 보행과 물체 집기, 시각·촉각 감지, 사용자 제어를 하나의 시스템으로 연결해 소형 소프트로봇의 작업 수행 가능성을 보여줬다.

< 원격 제어와 시각 및 촉각 피드백을 활용한 비틀봇의 양방향 피드백 기반 작업 수행 >

이번 성과는 사람이 접근하기 어려운 공간에서 주변 상황을 확인하고 작은 물체를 회수하는 원격 작업용 소프트로봇 개발의 기반이 될 것으로 기대된다. 향후 환경 탐사와 산업 설비 점검 등으로 활용 범위를 넓히려면 인공근육의 구동 속도와 에너지 효율, 전원 공급 방식 등을 개선하고 실제 작업 환경에서 성능을 검증할 필요가 있다.

김상욱 교수는“이번 연구는 인공근육의 움직임과 감각, 사용자 제어를 하나의 시스템으로 연결해 소프트로봇의 활용 가능성을 넓힌 성과”라며“칼텍 등과의 공동연구를 바탕으로 사람이 접근하기 어려운 공간에서도 작업할 수 있는 소프트로봇 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

제1저자인 김인호 성균관대학교 교수는“로봇이 감지한 정보를 사용자의 다음 동작으로 연결하는 양방향 피드백을 구현했다는 점이 특징”이라며“향후 인공근육의 구동 속도와 에너지 효율을 높이고 감각 정보를 활용한 제어 기술을 고도화해, 다양한 환경에서 작업할 수 있는 소프트로봇으로 발전시키고자 한다”고 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과에서 박사학위를 받은 김인호 교수(현 성균관대학교 화학과 교수)가 제1저자로 참여했다. 김 교수는 연구 수행 당시 미국 칼텍에서 박사후연구원으로 재직했다. KAIST 신소재공학과 김상욱 교수와 칼텍 웨이 가오 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 2026년 8월 19일 게재됐다.

※ 논문명: BeetleBot: An integrated bioinspired soft robot for multimodal sensing and adaptive interaction, DOI: 10.1126/sciadv.aeg8849
※ 주요 저자정보: 김인호 교수(연구 수행 당시 칼텍 박사후연구원, 현 성균관대학교 화학과 조교수, 제1저자), 김상욱 교수(KAIST 신소재공학과, 공동 교신저자), 웨이 가오 교수(미국 칼텍, 공동 교신저자)
※ 관련 시연 영상: https://drive.google.com/file/d/1ZUEwHmoDtKMBH6xdZYUi1FLSy5P-vYok/view?usp=sharing

이번 연구는 헤리티지 의학연구소(Heritage Medical Research Institute), 메타-칼텍 연구지원금(Meta Caltech Research Award), 한국연구재단 (나노미래소재원천기술개발, RS-2025-25442577 고신뢰성 인공근육 복합소재 섬유의 대량생산 및 대면적화/다발화를 통한 텍스타일 로보틱스 개발), 싱가포르 교육부의 지원을 받아 수행됐다.

출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=68070