In the rapidly advancing realm of robotics, human-interactive robotics (HIR) epitomize the quest to amplify the symbiotic relationship between humans and machines. To further enhance user experiences and allow natural movement during interactions, interfaces for HIRs are moving progressively closer to the skin's surface in a wearable form. This thesis delves into the development of shape memory alloy-based wearable human-interactive interfaces that blend intuitive feedback with wearable comfort. When utilized as actuators, shape memory alloys offer benefits like lightness, high force generation, silent operation, and adaptability to diverse shapes. However, their drawback lies in a sluggish cooling rate, which limits their actuation speed. In addition, when designing wearable interfaces that make close contact with the body, it is vital yet challenging to prioritize lightweight, compactness, ergonomic design, and aesthetic appeal. To address the inherent limitations and challenges, a multiscale material engineering approach was adopted by introducing optimal scale-specific architecture designs, in nano to macroscopic levels, to the shape memory alloy-based actuators. Firstly, we aim to enhance the actuation speed of small and intricately structured 3D spring-shaped SMA actuators by directly growing even smaller nanoscale conductive copper nanowires on their surfaces. By increasing the surface area of the SMA in this manner, we intend to promote heat dissipation and achieve faster actuation speeds. Secondly, to improve wearability, we develop a multimodal wearable haptic interface by knotting SMA wires into auxetic meta-structures. This auxetic-architectured interface conforms to the body's curves when worn and provides diverse spatiotemporal tactile feedback. Thirdly, we aim to develop a wearable interface that offers multifunctionality, but at the same time, with considerations for ergonomic design and aesthetic appeal. This interface includes multimodal haptic actuators embedded in a single auxetic meta-structure, where each component operates independently, culminating in the development of an auxetic-architectured wearable multimodal interface. Through nano-to-macroscopically architectured SMA-based actuators, we aim to pave the way for developing user-friendly wearable robotics and interfaces that bridge humans and robots to interact seamlessly and broaden our immersion into virtual, augmented, and mixed realities.
빠르게 발전하는 로봇 및 로보틱스 분야에서 인간 상호 작용 로보틱스(HIR) 연구는 인간과 로봇 간의 공생관계를 발전시키는 방향으로 진행되고 있다. 그리고 이를 구현하기 위한 핵심 요소이자 매개체로서 HIRs 인터페이스는 직관적이고 친숙한 상호작용 형성을 위해 피부 표면에 점점 더 가까워지며 착용 가능한 형태로 개발되고 있다. 본 학위논문은 편안한 착용이 가능한 동시에 직관적인 피드백을 줄 수 있는 형상기억합금 기반의 착용형 인간-상호작용 로보틱스 개발을 다루고자 한다. 형상기억합금의 경량성, 높은 힘 생성, 무소음 작동, 그리고 다양한 형태로 활용될 수 있다는 점은 이를 로보틱스 개발을 위한 액추에이터로서 사용할 때 큰 이점이 된다. 하지만, 형상기억합금의 느린 냉각속도로 인해 이를 기반으로 한 액추에이터는 구동 속도에 제한을 받는 단점이 있다. 또한, 신체에 밀착되는 웨어러블 인터페이스로서 개발할 때 경량성과 인체 공학적 디자인, 그리고 미적 매력 등 복합적 측면을 고려하며 개발하는데 어려움이 있다. 본 학위논문은 나노에서 마크로 수준의 다중 규모 아키텍쳐 설계 및 개발을 통해 형상기억합금의 본질적인 한계와 이를 인터페이스로 구성하는데 있어 갖는 어려움을 해결하고자 한다. 첫째로, 작고 복잡한 구조의 3D 스프링 형상의 형상기억합금 액추에이터 표면에 이보다 더 작은 나노스케일의 전도성 구리 나노와이어를 직접 성장시켜 형상기억합금의 표면적을 증대시키고, 증가된 표면적으로 열 발산을 촉진시켜 빠른 구동속도를 구현하고자 한다. 둘째로, 착용성 증대를 위해 형상기억합금 와이어를 오그제틱 메타 구조로 매듭 지어 신체 표면의 굴곡에 순응하여 착용되며 시공간 적으로 다양한 촉각 피드백을 제공할 수 있는 멀티모달 착용형 햅틱 인터페이스를 개발하고자 한다. 셋째로, 인체공학적 디자인, 미적 매력을 고려함과 동시에 다기능성을 갖는 착용형 인터페이스 개발을 위해 멀티모달 햅틱 액추에이터가 하나의 오그제틱 메타 구조에 결합되어 독립적으로 역할을 수행하는 오그제틱 구조의 착용형 멀티모달 인터페이스를 개발하고자 한다. 본 학위연구를 통해 나노-매크로 스케일에서 아키텍처된 SMA 기반 액추에이터로 사용자 친화적인 웨어러블 로봇 및 인터페이스를 개발하여 인간과 로봇 사이의 원활한 상호작용을 실현하고자 한다. 더 나아가 상호 작용이 이루어지는 공간을 현실에서 가상 현실로 확장하여 멀티 공간 속 상호작용의 몰입 경험을 강화하고자 한다.
