피부의 콜라겐 섬유구조를 모방한 초고감도, 고내구성, 초소형 균열 기반의 센서 개발과 소형 로봇의 모션, 촉각 기능 구현에의 적용
Ultra-Sensitive, Tough, Compact Crack-Based Sensor Inspired by Skin’s Collagen Fiber Mesh for Motion & Tactile Sensation of Small Robots
초록/요약
최근 주목받고 있는 Robobee 및 HAMR과 같은 초소형 로봇은 제한된 공간에서 이동이 가능하기 때문에 검사, 구조, 환경 모니터링, 탐색 등에 사용될 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다. 그러나 이러한 초소형 로봇이 능동적으로 구동하며 작업을 수행하기 위해서는 센서를 장착하는 것이 필수적이며 이에 대해서는 다음과 같은 엄격한 제한이 따른다. 1) 먼저 작고 가벼워야 하며, 2) 감도가 매우 높아야 하고, 3) 내구성 또한 높아야 한다. 본 연구에서는 인간 피부의 콜라겐 구조를 모방 한 Ag NW 메시를 삽입하여 나노 균열의 깊이를 제어하여 초고감도, 고내구력, 초소형의 기계적 균열 기반 스트레인 센서를 개발했다(ULTIMAC sensor). 센서의 중간층에 삽입된 Ag NW 메시는 설계된 균열 깊이의 끝에서 균열 성장을 성공적으로 완화하였고 센서의 내구성과 안정성을 크게 향상시켰다. 또한 센서는 매우 얇고 (~ 10μm), 가벼울 뿐만 아니라 (~ 6mg), 매우 민감하고(0.5 % 변형에서 GF 2000), 0.5 % 변형의 200,000 사이클 동안 감도를 유지할 만큼 매우 높은 내구성까지 가지고 있다. 본 연구에서는 생체모방 다리형 로봇의 발과 생체모방 날갯짓 드론의 날개에 부착하여 소형 로봇의 움직임을 감지하고 촉감을 구현할 수 있다는 타당성을 입증했다. 따라서 이 기술은 향후 소형 로봇의 자율 제어를 가능하게 하는 혁신 기술이 될 것임을 시사한다.
more초록/요약
The recent advent of ultra-compact robots such as Robobee and HAMR has excellent potential for environmental monitoring and exploration in confined spaces for inspection and rescue. However, there are strict restrictions on mounting sensors for control autonomy. 1) The sensor should be small and light. 2) It must be very sensitive. 3) It must be durable. We developed an ultra-sensitive, tear-resistant, bioinspired mechanical crack-based (ULTIMAC) strain sensor by embedding an Ag NW mesh into the crack-based sensor that mimics the collagen structure of human skin to control the depth of the nano-crack. Ag NW mesh successfully mitigates crack propagation at the end of the designed crack depth and dramatically improves the durability and stability of the sensor. The sensor is very thin (~10μm), light (~6mg), very sensitive (GF 2000 at 0.5% strain), and very durable that maintaining sensitivity for 200,000 cycles of 0.5% strain. We have demonstrated the feasibility of our sensor that can be attached to the foot of a bio-inspired legged robot and the wing of a bio-inspired flapping drone to realize the movement and tactile sensation of a small robot. The resulting technology suggests that it will be a breakthrough for enabling autonomous control of small robots.
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 연구 동향 및 분석 3
제 3 절 연구 목적 4
제 2 장 본론 10
제 1 절 ULTIMAC센서의 구조 10
1. 거미의 감각기관을 모사한 고감도 스트레인 센서 10
2. 피부의 콜라겐 섬유에서 영감을 받은 인열저항층 11
제 2 절 균열기반 센서의 피로 거동 및 Ag NW 층이 센서 성능에 미치는 영향 17
1. 균열의 성장 과정 17
2. 피로시험 결과 19
3. 센서 성능 테스트 24
제 3 절 ULTIMAC 센서의 기계적 및 전기적 특성 26
1. ULTIMAC 센서의 기계적 특성 26
2. ULTIMAC 센서의 전기적 특성 29
제 4 절 생체모방 다리형 로봇에 ULTIMAC 센서 장착 35
1. 센서 부착 위치 및 로봇의 구동 원리 35
2. 실험결과 38
제 5 절 생체모방 날갯짓 드론에 ULTIMAC 센서 장착 45
1. 센서 부착 위치 및 비행 원리 45
2. 실험결과 47
제 3 장 결론 57
참 고 문 헌 60
부록 68
Abstract 72
