[논문 리뷰] New Directions: Wireless Robotic Materials

Nikolaus Correll, Prabal Dutta외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 15.

Modular Robots and Swarm Intelligence참고 문헌 26인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 마이크로스케일에서 분산된 센싱, 액추에이션, 계산 및 통신을 통합한 스마트 복합재인 무선 로봇 재료를 제안한다. 이는 프로그래머블하고 적응형 재료 행동을 가능하게 한다. 미니어처화되고 무선이며 에너지 수확 기능을 갖춘 장치를 활용함으로써, 생물학적 자율성을 모방하는 대규모로 재구성 가능한 시스템을 실현할 수 있으며, 핵심 기여는 기초 플랫폼을 정의하고 무선 전력, 통신, 분산 프로그래밍 분야의 핵심 과제를 규명한 데 있다.

ABSTRACT

We describe opportunities and challenges with wireless robotic materials. Robotic materials are multi-functional composites that tightly integrate sensing, actuation, computation and communication to create smart composites that can sense their environment and change their physical properties in an arbitrary programmable manner. Computation and communication in such materials are based on miniature, possibly wireless, devices that are scattered in the material and interface with sensors and actuators inside the material. Whereas routing and processing of information within the material build upon results from the field of sensor networks, robotic materials are pushing the limits of sensor networks in both size (down to the order of microns) and numbers of devices (up to the order of millions). In order to solve the algorithmic and systems challenges of such an approach, which will involve not only computer scientists, but also roboticists, chemists and material scientists, the community requires a common platform - much like the "Mote" that bootstrapped the widespread adoption of the field of sensor networks - that is small, provides ample of computation, is equipped with basic networking functionalities, and preferably can be powered wirelessly.

연구 동기 및 목표

• 구조 복합재에 분산된 계산, 센싱, 액추에이션 및 통신을 통합함으로써 재료 과학 분야의 새로운 범주를 수립하기 위해.
• 재료에 임bed된 마이크론 스케일 장치 수백만 대의 센서 네트워크를 확장하는 과제를 해결하여, 기존의 무선 센서 네트워크(WSN)의 한계를 넘어서기 위해.
• 로봇 재료 분야의 다학제적 혁신을 가능하게 하는 표준화된 모터 유사 기반 플랫폼의 필요성을 규명하기 위해.
• 무선 전력과 통신이 감지 및 계산 외에도 액추에이션을 포함하는 고밀도 분산 시스템을 지원할 수 있는가를 탐색하기 위해.
• 재료 내에 통합된 대규모 분산형, 탈중앙화된 시스템을 프로그래밍하고 제어하기 위한 새로운 연구 방향을 정의하기 위해

제안 방법

• 마이크로 또는 밀리미터 스케일의 계산, 센싱, 액추에이션 및 통신 노드가 재료 기반에 전반적으로 통합된 복합재로서 로봇 재료의 비전을 제안한다.
• 무선 센서 네트워크(WSNs), 스마트 먼지, 애모러스 컴퓨팅의 원리를 활용하여 탈중앙화되고 분산된 제어 및 정보 처리를 가능하게 한다.
• 실험과 혁신의 기초 플랫폼으로서 표준화되고, 무선이며 에너지 수확 기능을 갖춘 '모터(mote)' 기반 플랫폼을 지지한다.
• 생물학적 시스템(예: 문어의 팔, 인간의 피부 등)을 영감으로 삼아, 최소한의 배선과 마이크로 및 센티미터 스케일의 이질적 구성 요소 통합을 강조한다.
• 무선 전력과 통신이 동일한 주파수 대역에서 공존할 수 있지만, 액추에이션 기능이 포함된 대규모 고밀도 네트워크에서는 확장성에 의문을 제기한다.
• 지역적이고 탈중앙화된 상호작용에서 글로벌 행동을 관리하기 위해 새로운 공간 프로그래밍 모델이 필요할 수 있음을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇 재료를 위한 기본적이고 표준화된, 무선이며 에너지 수확 기능을 갖춘 모터 기반 플랫폼은 어떤 모습일까? 그리고 이는 다양한 분야에서 어떻게 보편적으로 채택될 수 있을까?
• RQ2 기존의 무선 전력 기술(예: 약 100 µW/cm²)이 고밀도 내장형 네트워크에서 감지 및 계산 외에도 액추에이션을 지원할 수 있을까?
• RQ3 감지 및 계산 외에도 액추에이션 요구사항을 포함하는 시스템에서, 전력과 통신을 위한 동일한 무선 채널이 효과적으로 확장될 수 있을까?
• RQ4 이벤트 기반의 지역적 프로그래밍 모델(예: TinyOS)은 대규모 로봇 재료에 충분한가? 아니면 새로운 공간 프로그래밍 추상화가 필요할까?
• RQ5 센서, 프로세서, 액추에이터로 구성된 탈중앙화된 내장 시스템에서 단순한 지역적 상호작용이 어떻게 복잡한 글로벌 행동을 유도할 수 있을까?

주요 결과

• 최근의 미니어처화, 저전력 컴퓨팅(피코와트 수준의 정지 전력까지 가능), 에너지 수확 기술의 발전 덕분에 마이크론 스케일 부피에서 내장된 무선 장치의 실현 가능성이 높아졌다.
• 무선 전력과 통신은 동일한 주파수 대역에서 공존할 수 있지만, 대규모로 액추에이션 기능이 포함된 시스템에서는 확장성 문제가 여전히 열려 있다.
• 생물학적 시스템을 영감으로 삼아 마이크로 및 메조 스케일에서 계산, 센싱, 액추에이션 및 통신의 통합은 재료가 자율적으로 형태, 강성 및 기능을 변화시킬 수 있도록 한다.
• 혁신을 가속화하기 위해 기본적이고 모듈화되며 프로그래밍 가능한 '모터' 플랫폼이 필수적이다. 이는 Mote가 센서 네트워크 혁신을 이끌었던 것과 유사하다.
• 분산형, 지역적, 이벤트 기반의 프로그래밍 모델(예: TinyOS)은 복잡한 글로벌 행동을 처리하는 데에는 부족할 수 있으며, 새로운 공간 프로그래밍 패러다임의 필요성을 시사한다.
• 하드웨어의 미니어처화, 재료 과학의 발전, 제조 비용 감소 추세에 힘입어 로봇 재료의 비전은 실현 가능하며 곧 현실이 될 것이다.