스탠퍼드 로보틱스 세미나: 형태 변화 물질을 이용한 구현된 지능

형태 변화 물질을 통한 구현된 지능

형태 변화 물질과 메커니즘의 맥락에서 구현된 지능은 하드웨어 시스템이 형태 변화 및 조정 가능한 물질과 구조를 통해 일정 수준의 프로그래밍 가능성 또는 의사 결정을 수행할 수 있는 능력을 의미합니다. 이 접근 방식은 기존 메카트로닉스 시스템을 넘어 사이버-물리 보안, 극한 환경을 위한 전자 장치 없는 로봇공학, 지속 가능하고 생분해 가능한 현장 로봇공학 분야에서의 응용을 가능하게 합니다.

물리 기반 계산 설계

물리 현상을 계산 알고리즘과 통합함으로써 정확하고 자율적인 형태 변화를 달성하기 위해 '숨은 힘'을 운반하는 물질을 생성할 수 있습니다.

잔류 응력과 자체 접기

Fuse Deposition Modeling (FDM) 프린팅을 사용하여 잔류 응력을 형태 기억 폴리머에 잠글 수 있습니다. 수축 가능한 재료를 수축 불가능한 재료 위에 인쇄하면 가열 시 구부러지는 이층 구조가 생성됩니다. 이 물리 기반 접근 방식과 origami 평탄화 알고리즘을 결합하면 뜨거운 물에 놓였을 때 복잡한 3D 형태(예: '스탠퍼드 버니')로 자체 조립되는 평면 포장 구조물을 생산할 수 있습니다.

차등 팽창 및 표면 패터닝

차등 팽창은 팽창 가능한 젤의 성장률이 표면 패턴에 의해 조절될 때 발생합니다. 젤의 한쪽면에 서브밀리미터 규모의 홈 을 도입하면 홈이 있는 쪽이 홈이 없는 쪽보다 느리게 팽창하여 물질이 구부러집니다.

이 메커니즘은 다음과 같은 연질 물질에 광범위하게 적용됩니다:

• Biomedical devices: 인간 몸과 호환되는 PDMS 기반 젤 로봇.
• Food engineering: 공간을 절약하기 위해 평평하게 포장된 형태 변화 파스타, 끓일 때 특정 3D 형태를 취함.
• Soft grippers: 용매에서 구부러져 물체를 잡고 평평한 상태로 회복할 때 방출하는 반자율 그립퍼.

메커니즘을 통한 지능 증폭

스마트 물질은 자극에 반응하지만 종종 자유도(DoF)가 부족합니다. 이러한 물질을 순응 메커니즘과 결합하면 프로그래밍 가능성과 제어성이 향상됩니다.

재구성 가능한 자유도

순응 메커니즘에 강성 변화 막대(내장된 가열 와이어가 있는 형태 기억 폴리머)를 통합함으로써 연구자들은 특정 자유도를 선택적으로 잠그거나 잠금 해제할 수 있습니다. 스크류 대수를 기반으로 한 합리적 설계 파이프라인을 사용하여 시스템은 X, Y, Z 방향의 traslación 및 회전을 포함한 모든 6개의 자유도에 대해 완전 재구성 가능하도록 설계할 수 있습니다.

기계적 논리와 사이버-물리 보안

순응 메커니즘은 순수하게 기계적인 논리 컴퓨터를 구축하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 기계식 도어 래치는 잠금을 해제하기 위해 Z-평행 이동, 그다음 회전, 그다음 Y-평행 이동과 같은 세 가지 distinct motions의 특정 순서를 요구하도록 설계할 수 있습니다. 스마트 막대를 내장함으로써 어느 막대를 연화시키는지 변경함으로써 필요한 논리 순서를 재프로그램할 수 있습니다.

고속 응답을 위한 바이스테이블 액추에이터

형태 기억 합금(SMA)은 일반적으로 느리고 약합니다. 그러나 3D-printed 프레임 내의 늘어난 막으로 구성된 바이스테이블 메커니즘에 SMA 코일을 내장하면 느린 액추에이터가 구조의 빠른 '플립'을 트리거할 수 있습니다. 이를 통해 몸 모양을 플립하여 걷기와 수영 모드 사이를 전환할 수 있는 고속 양서 로봇을 만들 수 있습니다.

하이브리드 지능과 메쉬 로봇공학

재료 기반 기계적 지능과 프로그래밍 가능한 계산적 지능을 결합함으로써 복잡하고 다목적인 로봇 시스템을 설계할 수 있습니다.

메쉬 로봇에서의 근육 시너지

수십 개의 개별 액추에이터를 배선하는 복잡성을 피하기 위해 연구자들은 생물학적 개념인 '근육 시너지'를 적용하여 여러 액추에이터를 그룹화했습니다. 유전 알고리즘과 강화 학습을 사용하여 연구실은 메쉬 로봇에 대한 최적의 채널 그룹화 및 제어 시퀀스를 결정하기 위한 최적화 파이프라인을 개발했습니다. 이를 통해 수백 개의 트러스를 가진 로봇은 몇 개의 제어 모듈만으로 걷기, 회전, 기울기와 같은 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다.

형태 변화 메쉬의 잠재적 응용

• Healthcare: 환자의 신체 형태 또는 자세에 자동으로 조정되는 형태 변화 메쉬 침대.
• Mixed Reality: 혼합 현실 환경에서 물리적 객체를 렌더링하기 위해 형태와 중심을 변화시키는 물리적 메쉬.

생태 물리적 AI

생태적 형태 변화 물질은 주변 에너지(태양광, 습도, 지열)로 완전히 구동되어 결국 환경에 생분해될 수 있는 시스템에 초점을 맞춥니다.

바이오모방 시드 캐리어

Eodium 씨앗에서 영감을 얻었는데, 이 씨앗은 토양에 스스로 구멍을 뚫는 습도 반응성 코일을 사용합니다. 연구실은 목재 베니어로 만든 생분해성 시드 캐리어를 개발했습니다. 이러한 캐리어는 비에 반응하여 땅에 스스로 구멍을 뚫어 재림산 노력에서 나무 종의 발아율을 향상시킵니다. 이러한 시스템은 지하 조건을 모니터링하기 위해 무선 통신을 위한 안테나로 보강할 수 있습니다.

전자 장치 없는 자동화된 정원

자극에 반응하는 펌프와 밸브(예: 공기 온도 변화를 압축 공기로 수집하는 열 반응성 펌프 및 습도 민감한 꺾인 밸브)의 라이브러리를 만들면 연구실은 기계적 논리로서 기능하는 공압 회로를 구축할 수 있습니다. 이를 통해 전기를 사용하지 않고 환경 트리거에 따라 물을 주고, 비료를 주고, 식물을 보호하는 완전 자동 조절 정원을 만들 수 있습니다.