클레이트로닉스

https://blog.naver.com/lambb123/220427643963

클레이트로닉스 Claytronics 나노기술, 로봇, 제조업의 종착지

 

 

1장: 클레이트로닉스의 개요와 기술 배경

클레이트로닉스는 컴퓨터 과학과 재료 공학이 결합된 분야로, '파라트로닉스(paratrons)'라고 불리는 작은 로봇 모듈들이 집합하여 원하는 형태를 자유롭게 조작할 수 있는 기술입니다. 마치 점토(clay)처럼 재구성 가능하다는 의미에서 클레이트로닉스라는 이름이 붙었습니다. 이 개념은 카네기 멜론 대학교와 인텔 연구소가 주도적으로 연구하며 2000년대 초반에 등장했습니다.

파라트로닉스 모듈은 매우 작은 마이크로 로봇으로, 자석, 전기 신호, 또는 정교한 기계적 결합을 통해 서로 연결되고 분리될 수 있습니다. 각각의 모듈은 스스로를 다른 형태로 재구성하며, 이를 통해 복잡한 3차원 구조물을 만들어낼 수 있습니다. 이러한 기술은 다양한 응용 가능성을 가지고 있어, 특히 가상 현실(VR)과 혼합 현실(MR)과 같은 분야에서 물리적 사물의 형상을 자유롭게 바꾸는 데 활용될 수 있습니다.

출처: 클레이트로닉스의 모듈 구조와 변형 과정을 나타낸 다이어그램

---

2장: 클레이트로닉스의 개발 현황

클레이트로닉스 기술은 현재 연구 단계에서 다양한 진전을 보이고 있습니다. 주요 개발 목표는 작은 크기의 파라트로닉스 모듈을 만드는 것과 이 모듈들이 정확하고 안정적으로 상호작용할 수 있는 기술을 확립하는 것입니다. 이를 위해 전자기학, 나노기술, 로봇공학, 그리고 소프트웨어 알고리즘이 결합된 복합적인 접근법이 필요합니다.

• 카네기 멜론 대학교: 카네기 멜론은 클레이트로닉스 연구의 선구자로서, 여러 형태의 파라트로닉스를 개발하고 실험하고 있습니다. 초기 모델은 수 센티미터 크기의 모듈이었지만, 현재는 밀리미터 수준의 소형화를 달성하여 더 정밀한 형상 변형이 가능하게 되었습니다.
• 인텔 연구소: 인텔 연구소는 클레이트로닉스를 활용한 사용자 인터페이스 개발을 목표로 하고 있습니다. 모듈들이 모여 실시간으로 물리적인 모양을 바꾸는 능력은 미래의 디지털-물리적 인터페이스의 가능성을 열어주고 있습니다.

클레이트로닉스의 주요 과제 중 하나는 모듈 간 통신과 협업을 실시간으로 조정하는 것입니다. 이를 위해 연구자들은 각 모듈이 주어진 환경 내에서 상대 모듈의 위치를 인식하고, 효율적으로 움직일 수 있는 알고리즘을 개발하고 있습니다.

---

3장: 상용화 현황

클레이트로닉스는 아직 대중적 상용화에 이르지는 않았지만, 몇몇 응용 분야에서 상용화를 향한 초기 단계에 들어서고 있습니다. 상용화 현황은 주로 연구소와 일부 혁신 기업이 주도하고 있으며, 특정 산업에서의 가능성을 탐색 중입니다.

• 프로토타입 제품 개발: 클레이트로닉스의 모듈을 이용해 다양한 형태로 변형 가능한 프로토타입 제품들이 개발되고 있습니다. 예를 들어, 프로토타입 로봇 팔이나 가변형 기계 부품 등은 제조업에서 가동률을 높이고 작업 효율성을 증대시키기 위한 용도로 사용되고 있습니다.
• 교육 및 연구용 툴: 일부 대학과 연구 기관에서는 클레이트로닉스를 이용해 물리적 프로토타이핑을 진행하고 있습니다. 모듈의 재조립 능력을 통해 다양한 형태의 구조를 실험적으로 만들어 볼 수 있으며, 학생들에게 유연한 제작과 조립의 원리를 가르치는 데 활용되고 있습니다.

현재는 대규모 생산 및 경제적 효율성을 고려할 때 클레이트로닉스의 상용화가 다소 제한적입니다. 그러나 소형화 기술이 더욱 발전하고, 생산 비용이 절감된다면 향후 몇 년 내에 더 다양한 산업에서 상용화 가능성이 크게 열릴 것으로 보입니다.

---

4장: 클레이트로닉스의 상용화 계획과 도전 과제

상용화를 향한 클레이트로닉스의 여정에는 몇 가지 도전 과제가 있습니다. 기술적, 경제적 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다양한 전략을 모색하고 있습니다.

• 소형화와 비용 절감: 현재 클레이트로닉스 모듈의 제작은 고도의 정밀 기술이 필요하기 때문에 비용이 매우 높습니다. 이를 해결하기 위해 3D 프린팅, 나노기술 등을 이용해 대량 생산 가능한 모듈을 개발하는 연구가 진행되고 있습니다.
• 통신과 조정 문제: 각 모듈이 스스로 위치를 조정하고 움직이는 데 필요한 통신 프로토콜은 매우 복잡합니다. 연구자들은 센서와 AI 기술을 결합하여 효율적인 통신 시스템을 개발하고 있으며, 클라우드 기반의 중앙 통제 시스템과의 협업으로 이러한 문제를 해결하려고 합니다.

향후 상용화 계획에는 가변형 전자기기와 의료용 로봇 분야가 주요 타겟으로 설정되어 있습니다. 예를 들어, 모듈들이 자유롭게 조립되고 분해되는 능력을 이용해 환자의 신체 구조에 맞춤형으로 조정 가능한 의료기구나 보조기기를 만드는 것이 목표입니다. 또한, 클레이트로닉스를 통한 가변형 스마트폰이나 태블릿 기기와 같은 소비자 전자제품도 장기적인 계획의 일부입니다.

출처: 클레이트로닉스를 활용한 미래의 소비자 전자기기 콘셉트 이미지

---

5장: 클레이트로닉스의 미래 전망

클레이트로닉스는 스마트 물질과 자율적인 형상 변환 기술의 결합으로, 미래 사회의 다양한 측면에서 혁신을 불러일으킬 잠재력을 가지고 있습니다.

• 스마트 환경 및 가상 현실: 클레이트로닉스는 가상 현실과 혼합 현실 환경을 더욱 현실감 있게 만들어 줄 수 있습니다. 사용자와 상호작용하는 물리적 형태의 변화는 VR 경험을 한층 더 몰입감 있게 만들어 줄 것입니다.
• 건설 및 제조업의 변화: 클레이트로닉스는 건설업과 제조업에서 자재를 자유롭게 변형하여 다양한 상황에 대응할 수 있게 합니다. 이를 통해 자원의 낭비를 줄이고, 유연하고 신속하게 공정 작업을 할 수 있는 새로운 패러다임이 열릴 것입니다.
• 디지털-물리적 인터페이스: 사람이 원하는 형태나 구조를 실시간으로 물리적으로 생성할 수 있는 인터페이스는 교육, 디자인, 엔터테인먼트 등 여러 분야에서 무궁무진한 가능성을 제공합니다. 특히, 클레이트로닉스를 활용해 개인 맞춤형 제품을 빠르고 저렴하게 제작할 수 있는 플랫폼이 등장할 수 있습니다.

클레이트로닉스는 여전히 개발 단계에 있지만, 그 잠재력은 매우 크며, 과학과 공학이 융합된 첨단 기술이 우리의 일상을 어떻게 변화시킬 수 있는지를 잘 보여줍니다. 현재의 연구가 지속적으로 발전한다면, 몇 년 내로 우리의 생활 속에서 클레이트로닉스 기반의 스마트 물질을 쉽게 접할 수 있는 날이 올 것입니다.

 

나노찰흙으로 빚은 터미네이터
2005.11

 

 

1991년 〈터미네이터 2〉(심판의 날)가 개봉됐을 때 터미네이터의 새로운 모델인 'T-1000'은 관객에게 큰 충격을 주었다. 아무리 영화라지만 어떤 모습으로든지 변신할 수 있으면서 웬만한 총탄이나 폭탄 정도로는 퇴치할 수 없기 때문에, 물리칠 방법을 도무지 찾을 수 없는 무지막지한 로봇처럼 느껴졌기 때문이다.

과연 이런 액체 로봇이 현실로 등장할 수 있을까? 개봉 당시만 하더라도 컴퓨터 그래픽 기술의 효과로만 가능할 것으로 여겨졌지만，최근 나노(nano) 기술의 발달에 힘입어 실현 가능성이 차츰 높아지고 있다.

 

 

야옹거리며 다닐 로봇고양이

미국 카네기멜론 대학의 토드 모우리·세스 골드스타인 박사팀은 최근 찰흙(점토)으로 어떤 모양이든 빚을 수 있는 점에 착안하여 '나노찰흙'(nano clay)으로 형태를 자유롭게 바꿀 수 있는 로봇을 만드는 '클레이트로닉스'(Claytronics)라는 기술을 제안하였다. 프로그램 할 수 있는 물질인 나노찰흙의 최소 단위인 '카톰' (catom=claytronic+atom)을 빚어 실제로 작동하는 로봇을 제작하는 기술이다.

둥근 형태인 카톰은 전자기력으로 서로 붙었다 떨어졌다 할 수 있다. 카톰은 사물을 볼 수 있고 스스로 색깔을 바꿀 수 있도록 표면이 광학소자와 발광다이오드로 덮여 있고, 웬만한 프로그램을 가동할 수 있는 펜티엄급의 컴퓨팅 기능을 갖추고 있다. 전원은 아직 스스로 해결할 수 없기 때문에 외부 전원을 이용한다.

모우리·골드스타인 박사팀은 인텔과 공동으로 테니스 공만한 카톰 4개를 제작하는 데 성공했다. 또 24개의 전자석으로 둘러싸인 탁구공만한 카톰을 설계하고 있는데, 현재 2차원에서 간신히 움직이는 수준이지만, 곧 탁구공 100개 정도의 분량을 갖고 3차원에서 변신하는 실험을 하게 될 것이다. 크기도 차츰 줄어 공깃돌에서 좁쌀만한 크기로 작아질 것이다. 카톰은 크기를 줄이는 것보다 전력을 확보하고 작동을 제어하는 것이 더 문제다.

사람 크기의 복제품을 만들려면 카톰이 10억 개 정도 필요하다. 현재 인터넷에 연결된 컴퓨터를 10억 개로 잡는다면, 사람 크기의 복제품은 그 정도의 복잡도를 갖게 되는 것이다. 만약 카톰을 나노 차원으로 만들 수 있다면, 액체금속으로 된 터미네이터 'T-1000' 도 충분히 가능하게 될 것이다.

따라서 앞으로 나노찰흙을 필요한 분량만큼 가지고 다니면서 언제 어디서나 원하는 모양으로 빚어서 동작하도록 할 수 있게 될 것이다. 예를 들면 나노찰흙으로 고양이 형상을 빚은 뒤, 고양이 기능을 프로그램으로 내려 받으면 로봇고양이가 되어 야옹거리며 다닐 것이다.

또 작업실에서 나노찰흙으로 망치로 만들어 못을 두들기다가, 외출하면서 운동화로 바꾸어 신고 나갈 수 있고, 필요할 때 휴대폰으로 바꾸어 통화를 할 수도 있다. 골드스타인 박사는 "나노찰흙을 작은 덩이로 갖고 다니면서 수백만 가지의 다른 물건을 직접 만들어 사용할 수 있다."며, 이런 궁극적인 다용도 물질은 수십 년 이내에 실제로 가능할 것으로 확신하고 있다.

심지어는 원격회의를 진행하면서 세계 곳곳에 3차원으로 복제 된 인간을 전송할 수 있고, 의사는 복제된 환자의 손목을 잡고 맥박을 재면서 진찰할 수도 있다. 이를테면 인터넷을 통한 원격이동 (Teleporting)이다.

 

 

오디오와 비디오 다음에 나타날 미디어

'파리오'

카메라로 어떤 물체나 사람의 움직임을 찍어 디지털 작업으로 데이터를 만들어 전송하면, 상대방이 그 프로그램을 나노찰흙에 내려 받아 3차원으로 복원하는 것이다. 전화는 음성을, 팩시밀리는 서류를, 이메일은 파일을 보내지만, 클레이트로닉스는 3차원 물체를 복제하여 전송한다.

클레이트로닉스는 점토 애니메이션 기법인 클레이메이션 (Claymation=Clay+Aimntion)에서 아이디어를 빌려왔다. 모우리 박사가 클레이메이션의 걸작으로 꼽히는 〈월레스와 그로밋〉을 보다가 '나노찰흙'이라는 개념을 창안해냈다.

클레이메이션은 철사와 찰흙으로 빚은 캐릭터의 모습이나 동작을 조금씩 바꿔가면서 한 프레임씩 촬영한 뒤, 연결하여 재생시키면 그 캐릭터가 마치 움직이는 것처럼 보이게 하는 기법이다. 피사체가 입체이기 때문에 세트와 조명을 이용하여 화면에 깊이를 줄 수 있고, 찰흙의 유연성을 이용해 다양한 동작을 쉽게

만들 수 있다. 그러나 제작비가 많이 들고 제작 기간 이 오래 걸리는 게 단점이다.

마찬가지로 어떤 대상의 모습과 동작을 카메라로 찍은 뒤, 그 데이터를 나노찰흙의 원자에 전달하여 나노찰흙을 원본과 똑같은 모습으로 배열하면 그대로 3차원으로 복제할 수 있다. 그 때문에 클레이트로닉스를 가상현실(Virtual Reality)에 대응하여 '합성현실' (Synthetic Realily)이라고 부르기도 한다. 이 프로젝트를 주관하고 있는 인텔에서는 'Dynamic physical rendering'이라고 부른다.

모우리 박사와 골드스타인 박사의 원래 계획은 얼굴을 마주 보고 원격 작업을 하는 데 적용할 수 있는 시스템을 개발하는 것이었다. 카메라가 피츠버그에 있는 모우리 박사와 런던에 있는 골드스타인 박사를 동시에 각각 촬영하여 전송한 뒤, 원래의 모습을 물리적으로 복제하여 원본처럼 움직이게 하면 되는 것이다. 이 정보는 MPEG(컴퓨터의 비디오 디지털 파일)의 3차원 모습으로 나타나게 된다.

이 기술은 영화 〈반지의 제왕〉에 등장하는 골룸을 제작한 방식을 응용했다. 골룸 역을 맡은 배우인 앤디 셀키스가 특수한 센서가 달린 옷을 입고 움직이는 동작을 카메라가 촬영하고 컴퓨터가 해석하여 영상으로 재현하는 것이다. 다른 점이라면 골룸은 영상으로 재현됐지만, 클레이트로닉스는 나노찰흙이라는 물리적인 실체로 재현되는 것이다.

소리를 전송하는 오디오, 영상을 전송하는 비디오에 이어 실물을 전송하는 이 기술은 새로운 개념의 미디어를 등장시킬 것이다. 모우리·골드스타인 박사팀은 이미 그 명칭까지 만들어 뒀다. '파리오'(pario)가 오디오(audio)와 비디오 (video) 다음에 나타날 미디어라는 것. 지금 '파리오'는 생뚱맞게 보이지만, 200년 전의 인류에게 라디오나 TV의 개념이 생뚱맞은 것과 마찬가지라는 설명이다.

 

 

https://www.marketresearchintellect.com/ko/product/claytronics-market/

글로벌 클레이트로닉스 시장 규모, 동향 및 예측

 

클레이트로닉스(Claytronics)는 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그 주요 분야는 다음과 같습니다:

1. 로봇 공학: 클레이트로닉스 기술을 통해 다수의 소형 로봇이 협력하여 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 건설, 구조물 수리 및 탐사 등의 작업에 활용될 수 있습니다.
2. 의료: 환자의 치료를 위한 맞춤형 의료 기기 개발이나, 수술 도구와 같은 의료 기기에서의 활용이 가능할 수 있습니다. 변형 가능한 로봇은 수술의 정밀도를 향상시킬 수 있습니다.
3. 가상 현실 및 증강 현실: 클레이트로닉스는 가상 객체가 실제 환경에서 물리적으로 존재하는 것처럼 느껴지도록 해주는 기술에 기여할 수 있습니다. 이를 통해 보다 몰입감 있는 가상 현실 경험이 가능합니다.
4. 재료 과학: 스마트 재료 및 자가 복원 재료 개발에 기여하여, 외부의 자극에 반응하여 형태를 변화시키는 재료를 만들 수 있습니다.
5. 엔터테인먼트: 영화나 게임 산업에서의 사용자 경험을 향상시키기 위해, 인터랙티브한 캐릭터를 생성하거나 물체를 실시간으로 변형할 수 있는 기술에 활용될 수 있습니다.
6. 교육: 몰입형 학습 환경을 제공하기 위해, 가상 및 물리적 물체가 상호작용하는 새로운 교육 도구를 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

이 외에도 클레이트로닉스는 다양한 산업에서 혁신적인 응용이 가능하며, 연구가 더 진행됨에 따라 그 가능성은 더욱 확장될 것으로 기대됩니다.