자연을 닮은 단일재질 연성 그리퍼, MELEGROS

초록

MELEGROS는 아프리카 코끼리 코의 원위부 형태를 모방한 단일소재 3D‑프린트 그리퍼이다. 12.5 mm 셀 크기의 TPMS 격자 구조에 6개의 광파관 센서와 5개의 공압 챔버를 한 번에 프린트해 촉각·자세 감지를 동시에 구현한다. 4번의 설계‑시뮬레이션 반복으로 132 g 무게의 프로토타입을 완성했으며, 자체 무게의 2배 이상을 들어올리고 핀칭·스쿠핑·리치 등 다양한 동작을 수행한다. 센서는 굽힘, 압력, 외부 접촉을 구분해 다중 인식을 제공한다.

상세 분석

MELEGROS는 ‘단일재질(monolithic)’이라는 핵심 개념을 실현하기 위해 세 가지 기술적 혁신을 결합한다. 첫째, TPMS(IWP‑TPMS) 기반의 격자 구조를 채택해 셀당 12.5 mm의 크기로 설계했으며, 이는 구조적 연속성을 유지하면서도 낮은 굽힘 강성을 제공한다. 격자 스트럿 두께를 1.5 mm로 제한해 충분한 유연성을 확보하고, 셀 내부 공극(≈8 mm)으로 물체를 잡을 때 미끄러짐을 최소화한다. 둘째, 광파관 센서는 3D 프린팅 가능한 폴리머 웨이브가이드를 이용해 표면에 일정 간격의 웰(폭 1 mm, 깊이 0.65 mm)을 패터닝함으로써 굽힘 시 광산란을 증폭한다. 센서 두께 1.5 mm는 프린터 해상도(50 µm)를 고려한 최적값이며, 웰 깊이 0.5 mm 이상이어야 신뢰성 있는 출력이 보장된다. 센서는 세 종류(촉각, 챔버 변형, 손가락 굽힘)로 배치돼 각각 외부 접촉, 내부 압력, 자세 변화를 독립적으로 감지한다. 셋째, 5개의 공압 챔버(블래더 형태)와 6개의 광센서를 격자에 ‘반반(half‑embedded)’ 방식으로 삽입해, 압력에 따라 챔버가 팽창·수축하면서 격자 전체가 연장·압축·굽힘을 수행한다. 이때 챔버와 격자 사이의 스트레인‑리미팅 설계가 굽힘을 유도하고, 근위부 3개의 6‑챔버 액추에이터는 전체 그리퍼의 리치와 수축을 담당한다. 설계 단계에서는 SOFA 시뮬레이션 프레임워크를 활용해 재료의 등가 영 모듈러스(≈12 kPa)를 적용, 비선형 압축‑인장 거동을 40 % 스트레인까지 선형화하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 센서 위치와 챔버 배치를 최적화했으며, 실제 프린팅 후 4번의 반복만에 목표 성능을 달성했다. 실험에서는 132 g 무게의 그리퍼가 264 g 물체를 들어올릴 수 있었고, 포도와 같은 연약한 물체를 손상 없이 집을 수 있었다. 또한, 광센서 출력은 굽힘 각도(±50 kPa)와 압력 변화에 대해 선형적인 전압 감소를 보였으며, 촉각 센서는 외부 접촉 시 급격한 전압 변화를 기록해 proprioceptive와 exteroceptive 신호를 명확히 구분한다. 이러한 전반적인 설계·제조 흐름은 다중 재료 결합 없이 완전한 센싱·구동 통합을 가능하게 하여, 소프트 로봇 분야에서 설계 복잡도와 신뢰성 문제를 크게 완화한다.