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협업 개미로봇이 보여주는 미래의 공장

훼스토, ‘2015 하노버 페어’에서 협업 개미로봇 BionicANTs 공개

훼스토(Festo)는, 지난 4월 독일에서 개최된 하노버 페어에서 실제 개미처럼 서로 힘을 합쳐 물건을 날라주는 협업 개미로봇을 선보여, 참관객들의 관심을 모았다.

훼스토는 개별로는 도저히 해낼 수 없는 일들을 협업을 통해 마무리하고 해결해 나가는 개미가 가진 고유의 특성을, 이 협업 개미를 통해 구현했다. 이 인공적인 개미는 전체적으로 네트워크화된 시스템에서 공통의 목표를 해결하기 위해, 각각의 개체가 어떻게 통신하고 자기제어를 하는지, 그 개념을 보여주고 있다.

이 협업 개미 로봇 ‘BionicANTs’에 주목해야 하는 이유는, 이 로봇을 통해 새로운 기술과 생산방법에 대한 개발 플랫폼을 제시하고 있기 때문이다.

바이오닉엔츠(BionicANTs)라고 불리는, 손바닥만한 크기의 이 개미 로봇은 플라스틱과 금속, 세라믹 소재로 만들어졌다. 눈에는 3D 스테레오 카메라, 어깨엔 7.2 볼트의 전지, 배에는 추적용 GPS 수신기가 달려있다. 등 쪽에는 로봇을 움직이는 전자회로기판이 붙어있으며, 엉덩이 부분에는 각각의 바이오닉 엔츠간의 통신을 위한 모듈이 장착되어 있고, 톱니바퀴 모양의 발은 압력센서와 세라믹소재로 만들어져 물건을 집을 수 있다. 프로세서는 필요한 모든 신호를 분배하고 구동부를 활성화시킨다. 이 개미로봇들은 몸속의 센서를 이용해 주변의 로봇개미 동료들을 인식하고 무선으로 협업 활동을 위한 교신을 할 수 있다.

엔트/개미라는 이름은 자연에서의 모델 및 독자적인 제어가 가능한 네트워크 기술을 의미하며, 각각의 개미/개체에 수많은 부품, 기술, 기능들이 최소의 공간에 집적되어 있다.

훼스토는 특히, 처음으로 3D MID(3D Moulded Interconnect Devices) 기술을 이용해 소형화된 로봇을 제작하는데 성공했다.

미래의 생산시스템을 촉진하는 기술

각각의 개체는 서로 정보를 주고받을 수 있고, 개체 간의 동작과 이동에 대해 조정할 수 있다.

훼스토는 이 로봇개미의 협력 특성 및 행동 방식을 통해, 미래의 공장에 대한 흥미로운 기술적 접근 방식을 파악하고 있다. 훼스토는 미래의 생산 시스템 또는 공장은, 더 높은 제어 레벨에서 다양한 생산 시나리오에 따라 작업을 수행하기 위해, 자체적으로 조정되고 유연하게 대응되는 고도로 지능화된 장치들로 구성될 것으로 내다보고 있다.

최소의 공간에 집적된 기능 통합

바이오닉 앤츠의 협력 특성뿐만 아니라 제작 방법 또한 매우 독특하다. 레이저로 용융 소결된 바이오닉 앤츠의 각각의 부품들 외부에 최초로 3D-MID(Molded Interconnect Device) 프로세스라고 불리는 공법을 통해 외부로 배선 구조가 구성되어 있다. 전기회로는 전기 작동 및 디자인 적으로 밀접하게 바이오닉 앤츠를 구성하는 부품의 표면에 장착되어 있다. 이러한 방식으로 모든 기술 적인 요소는 바이오닉 앤츠의 각각의 위치에 정확하게 위치할 수 있다. 이렇게 구성된 바이오닉 앤츠는 초기에 작동을 시작하게 되면 외부의 제어 시스템이나 기기가 필요 없게 된다. 그렇지만 무선으로 바이오닉 앤츠의 모든 파라미터를 모니터링 하거나 조절에 개입하는 것도 가능하다

01: 이상적인 플랫폼: 새로운 기술의 테스트를 기반으로 하는 연구

02: 고도로 집적화된 부품: 디자인과 전기 기능이 하나로

03: 고정밀 제어: 피에조 세라믹의 굽힘특성을 이용한 다리구동부

04: 독자적인 조합:3D 프린팅으로 제작한 각각의 부품 위에 구현된 3D MID 기술

잘 구상된 컨셉: 각각의 개미/개체에 수 많은 부품, 기술과 기능들이 최소의 공간에 집적 되어 있음

피에조 기술의 새로운 어플리케이션

훼스토는 바이오닉 앤츠의 다리에 피에조 기술을 응용하여 많은 장점을 구현했다. 피에조 소자는 매우 빠르고 정확하게 제어가 가능하고, 소모되는 에너지가 매우 적으며 기계적인 작동으로 인한 마모가 거의 없을뿐더러 사이즈 또한 작다. 3상의 피에조-세라믹 소재의 소자는 각각의 다리 구조에 밀접하게 연결되어 있다. 가상 위쪽의 소자가 굽혀지면 바이오닉 앤트는 다리를 들어 올리게 된다. 바닥에 있는 피에조 소자의 구동 부는 각각의 다리가 전진 또는 후진을 할 수 있게 위치한다. 상대적으로 낮은 리프트/이송 높이를 개선하기 위해 개발팀은 바이오닉 앤츠의 스텝 사이즈를 획기적으로 늘린 특별한 힌지 조인트를 개발했다.

협력 특성 구현을 위한 고도화 된 제어 알고리즘

내장된 충전식 배터리를 통해서 바이오닉 앤츠는 별도의 충전이 필요 없이 약 40분가량 구동이 가능하며, 충전이 필요할 경우에는 자체적으로 충전 스테이션으로 이동하여 머리 앞단에 있는 안테나의 접촉을 통해 충전을 하게 된다. 모든 작업은 수학적 모델링 및 시뮬레이션을 통해 사전에 모든 바이오닉 앤츠에 저장되어진다. 지어 전략은 계층이 정렬되지 않은 다양한 개체 시스템에게 주어진다. 대신 모든 바이오닉 앤츠에게는 분산 지능에 근거해서 솔루션을 찾은 프로세스에 기여하게 되며, 이 작업에 필요한 통신은 몸통에 내장된 무선 통신 모듈을 통해서 이루어진다.

카메라 시스템과 바닥 센서의 동시 작동

바이오닉 앤츠는 전면에 물체를 탐지하거나 자신의 위치를 파악하기 위한 3D 스테레오 카메라가 탑재 되어 있다. 이를 통해 각각의 바이오닉 앤츠는 랜드 마크(바닥면의 표식)를 이용해 주변 환경을 구조화할 수 있다. 복부 바닥면의 광전자식 센서는 바닥의 구조를 바이오닉 앤츠에게 전달해서 어떻게 움직일지에 대한 정보를 전달한다. 이 두 가지 센서 전면의 3D 스테레오 카메라가 일시적으로 작동이 안 될 경우에도 위치를 감지할 수 있도록 한다.

BionicANTs, 새로운 기술과 생산방법에 대한 개발 플랫폼

바이오닉 앤츠는 단지 미래의 생산 현장을 투영할 뿐만 아니라, 그 이상의 미래를 보여주고 있다.

근본적인 변화는 생산 현장에서 일어나고 있다. 미래는 궁극의 유연성과 대체성에 대한 요구를 가지고 있으며, 향후 점진적으로 맞춤형 제품으로의 전환이 이루어질 것이다. 또한 이는 다 품종 소량생산에 높은 수준의 요구의 변화가 빠르게 이루어질수록 지속적으로 변화하는 상황에 적응이 가능한 기술을 필요로 한다.

미래의 산업 또는 생산 현장에서는 부품 및 각각의 구성품이 독자적으로 운영할 수 있어야 하며, 이는 현재 중앙의 제어 시스템에 의해 관리되는 작업 또는 생산 현장이 미래에는 각각의 구성요소와 장치가 운영하는 방식으로 변경이 될 것이다.

이와 같은 시스템(또는 시스템이 네트워크화 되는)이 가능하게 되도록 하기 위해서 훼스토는 정밀 공학 및 마이크로 시스템 기술과 같은 분야에 집중적으로 투자와 노력을 아끼지 않고 있다.

이러한 분야에서 극소의 공간에 처음으로 기능을 집적하고 다양한 소재와 생산 방식이 테스트 되고 있다. 이러한 바이오닉 러닝 네트워크의 연구 플랫폼 내에서 이상적인 자연의 원리를 연구하는 것뿐만 아니라, 새로운 방식으로 구현하는 부분까지 다루고 있다.