A study on electrically driven hydrogel-based soft robots : Turgor actuator and 3D-printed modular robot

Abstract

소프트 로봇은 신축성이 있고 소프트한 재료를 사용하여 로봇을 설계하여, 변형과 적응이 가능하여 주변 환경과 부드럽고 다재다능한 상호작용을 수행할 수 있다. 그 중, 전기적 소프트 액추에이터는 정밀하고 제어된 움직임을 유발하기 위해 전기 자극을 사용한다. 전기적 소프트 액추에이터는 정교한 조작, 섬세한 상호작용, 생체 모방 기능 등의 장점을 제공하여 딱딱한 재료로 제작된 로봇과 구별된다. 하이드로젤은 전기적 소프트 액추에이터의 재료로서 매우 유망한 재료이다. 먼저, 하이드로젤 자체가 구동을 일으키는 경우를 보면, 전기삼투 팽윤에 기반하여 구동하는 전기 활성 하이드로젤(EAH)이 있다. EAH는 낮은 전압에서 구동이 가능하고, 단일 재료 시스템이기 때문에 제작이 쉽고 액추에이터 설계가 자유롭다는 장점이 있다. 그러나, 구동 응력이 약하고, 구동 속도가 느리다는 단점이 있다. 다음으로, 하이드로젤은 신축성 전극으로 활용될 수 있는데, 유전 탄성체 액추에이터(DEA)에서는 하이드로젤 전극에 전압이 가해지면 맥스웰 응력을 생성하여 탄성체를 압축하고 수직으로 팽창시키는 구동을 한다. DEA는 높은 힘과 빠른 속도를 달성할 수 있지만, 높은 전압을 요구하고 다중 재료 시스템이기 때문에 제작 과정이 복잡하다. 본 연구에서는 EAH와 DEA의 장점은 활용하고 한계는 극복하기 위한 방법들을 탐구했다. 제 2 장과 제3 장에서는 EAH에 관한 연구를 소개한다. 첫 번째 장에서는 단일 재료 시스템으로의 장점을 극대화하기 위해 복잡한 3D 형상의 전기적 소프트 액추에이터를 제작하기 위해 3D 프린팅이 가능한 EAH의 설계 연구를 소개한다. 두 번째 장에서는 EAH의 약한 구동력을 해결하기 위해, 식물 세포에서 영감을 받은 팽압 액추에이터에 대해 소개한다. 팽압 액추에이터는 기존의 하이드로젤 기반 액추에이터보다 3,000배 이상 빠른 속도로 메가파스칼(MPa) 수준의 구동 응력을 생성할 수 있다. 이 구동 응력은 단단한 벽돌도 깰 정도로 강한 응력이었다. 더 나아가, 팽압 액추에이터를 빠르게 강력한 힘을 출력할 수 있는 구동기로서 뿐만 아니라, 수중 구조물 제작에도 활용할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 팽압 액추에이터는 하이드로젤의 약한 물성 및 약한 구동 응력으로 제한되어 있던 소프트 액추에이터로서의 잠재능력을 확장시킬 수 있었다. 그러나, 힘 출력 구동기 및 수중 구조물 제작과 같은 응용 분야 외에, 동물처럼 민첩하게 움직일 수 있는 로봇을 위해선 EAH와 같이 팽윤에 기반한 메커니즘은 속도적 한계가 있었다. 제 4 장에서는 민첩하고 조종 가능한 로봇 제작을 위해 빠르게 구동할 수 있는 DEA와 관련하여 진행한 연구를 소개한다. 먼저, DEA가 다중 재료 시스템이기 때문에 제작 과정이 어렵다는 과제를 해결하기 위해 다중 재료 3D 프린팅 기술을 확보했다. 그런데, 이 프린팅 기술을 활용하면 DEA 뿐만 아니라, 다른 소프트 로봇용 디바이스들도 제작이 용이하였고, 그로 인해 상업용 로봇처럼 모듈식 구성을 소프트 로봇에도 적용할 수 있었다. 다양한 모듈의 조립을 통해 제작된 로봇은 여러 지형에서 이동할 수 있었고, 빛을 발하거나 감지하여 신호를 송수신할 수도 있었다. 또한, 강도, 속도, 방향 전환 등의 기능들을 추가로 확장할 수도 있었다. 이와 같이, DEA 기반의 모듈식 로봇 연구는 각각 개별적으로 연구되어오던 기존의 소프트 디바이스들을 결합시킬 수 있게 됨으로써, 소프트 로봇의 지능을 한 차원 끌어올릴 수 있었다.

Soft robotics, an interdisciplinary field, focuses on designing robots using compliant and flexible materials. These robots excel in gentle and versatile interactions with their environment, thanks to their ability to deform and adapt. The electrical soft actuator is a crucial component in this field, employing electrical stimuli to induce precise and controlled movements in soft materials. Electrical soft actuators offer advantages like fine manipulation, delicate interactions, and biomimetic functionalities, setting them apart from rigid robots. Hydrogel is a highly promising material for electrical soft actuators. Electroactive hydrogels, based on electroosmotic swelling, offer the benefits of low-voltage operation and a single-material system, facilitating easy fabrication and flexible actuator design. However, they have limitations in terms of low actuation stress and slow speeds. Hydrogels can also function as electrical conductors in dielectric elastomer actuators (DEAs), serving as stretchable electrodes. DEAs generate Maxwell stress when voltage is applied, resulting in actuation by compressing the elastomer and inducing perpendicular expansion. DEAs achieve high forces and fast speeds but require high voltages and involve more complexity in fabrication. Here, ways to leverage the respective advantages of these two actuators have been explored and their limitations have been addressed. In Chapter 2 and 3, research on electroactive hydrogel (EAH) is introduced. In Chapter 2, the material study of 3D printable EAH is presented to maximize the advantages of a single material system for creating complex 3D-shaped electrically driven soft actuators. Chapter 3 introduces a turgor actuator inspired by plant cells to address the weak driving force of EAH. The turgor actuator can generate driving stresses at the level of megapascals (MPa), more than 3,000 times faster than conventional hydrogel-based actuators. The generated driving stress was strong enough to even break solid bricks. Moreover, it was confirmed that the turgor actuator could be used not only as a driving mechanism capable of quickly producing powerful forces but also in the fabrication of underwater structures. Thus, the turgor actuator expands the potential of soft actuators, which were previously limited by the weak properties and driving force of hydrogels. However, despite its applications in force-generating mechanisms and underwater structure fabrication, mechanisms based on swelling, like EAH, had speed limitations for applications requiring agile movements, such as animal-like robots. In Chapter 4, the research focus shifted to Dielectric Elastomer Actuators (DEAs) for agile and maneuverable robots, extending beyond the applications of force generation and underwater structures. The challenge of fabricating DEAs as a multimaterial system was addressed by acquiring multimaterial 3D printing technology. This advancement enabled the creation of various soft robotic devices, including DEAs, and the implementation of a modular scheme similar to commercial robots. Through module assembly, robots capable of navigating diverse terrains, emitting or detecting light, and communicating signals were developed. Additionally, the exploration of expanding functionalities such as strength, speed, and directional changes was conducted.