Multi-Functional Variable Stiffness Mechanisms using Tailored Jamming and Gallium Phase Change for Soft Robotic Structures = 맞춤형 재밍과 갈륨 상변화를 활용한 소프트 로보틱 구조용 다기능 가변 강성 메커니즘

국문 초록 (Abstract)

소프트 메커니즘은 인간 및 섬세한 환경과의 안전하고 유연한 상호작용을 가능하게 한다는 점에서 로보틱스 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 그러나 이러한 구조가 지닌 본질적인 유연성은 강건성, 빠른 응답성, 그리고 하중 지지 능력 측면에서 기존의 강체 메커니즘이 가지는 성능에 미치지 못한다. 이에 따라, 연성과 강성을 모두 구현할 수 있는 가변 강성 구조가 유망한 대안으로 제시되고 있으나, 실제 응용에서의 성능 한계로 인해 활용 범위는 여전히 제한적이다. 본 논문은 이러한 한계를 극복하고 가변 강성 구조의 기계적 다재다능함을 향상시키기 위한 세 가지 측면에서 연구를 수행하였다. 첫째, 목표하는 자유도에 부합하도록 가변 강성 구조를 설계할 수 있어야 한다. 이를 위해 사용자가 원하는 자유도에 따라 강성을 조절할 수 있는 맞춤형 재밍 기반 구조의 체계적 설계 방법을 제안하였다. 본 접근법은 웨어러블 로봇 응용을 위해 다자유도 강성 조절이 가능한 장갑형 시제품을 개발함으로써 그 유효성을 입증하였다. 둘째, 충분히 넓은 강성 변동 범위는 목표로 하는 연성과 강성을 모두 확보하기 위해 필수적이다. 이를 위해 갈륨을 삽입한 플렉셔 기반 코어 구조를 제안하였으며, 갈륨의 상변화와 산화막에 의한 계면 접착을 활용하여 강성 변동 범위를 크게 확장하였다. 셋째, 단순한 이진 강성 변환을 넘어 다단의 강성 조절을 구현함으로써 성능을 한층 향상시켰다. 이를 위해 다공성 구조나 내부 유로를 가지는 구조에 갈륨을 주입하여, 상변화를 통해 강성을 변화하고 주입량을 조절함으로써 여러 단계의 강성으로 사전에 설정이 가능한 가변 강성 구조를 구현하였다. 이와 같은 연구 결과는 다기능성을 가지는 가변 강성 메커니즘의 새로운 설계 및 재료 기반 전략을 제시하며, 기계적 다재다능함을 향상시켜 소프트 로보틱스 분야에서 적응성과 하중 지지 능력을 동시에 요구하는 응용으로의 확장을 가능하게 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Soft mechanisms have gained considerable attention in robotics for enabling safe and adaptive interactions with humans and delicate environments. However, their intrinsic compliance leads to limitations in robustness, rapid response, and load capacity, advantages provided by traditional rigid mechanisms. Variable stiffness structures, which can transition between soft and rigid states, offer a promising solution, yet their use in real-world applications remains constrained by limited performance. This dissertation addresses this challenge by enhancing the mechanical versatility of variable stiffness structures in three key aspects. First, stiffness modulation must be aligned with the targeted degrees of freedom (DoFs). A systematic methodology for designing tailored jamming-based structures with user-defined DoFs is therefore introduced. The approach is validated through the development of a wearable glove assembly, demonstrating multi-DoF stiffness modulation tailored for wearable robotic applications. Second, a wide stiffness range is essential for achieving desired softness and rigidity. To this end, a flexure-based core embedded with gallium is proposed, utilizing gallium’s phase change and oxide-induced interfacial adhesion to significantly expand the stiffness range. Third, performance can be further extended through multi-stage stiffness modulation, rather than simple binary switching. This is realized using structures with pores or internal channels infiltrated with gallium, where phase change governs stiffness transitions and the injected volume enables pre-programmable multiple stages of stiffness states. Collectively, these contributions establish new design and material strategies for multi-functional variable stiffness mechanisms. By enhancing mechanical versatility, this work contributes to a broader deployment of variable stiffness mechanisms in soft robotic applications that demand both adaptability and load-bearing capability.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Motivation and Background 1
• 1.2. Remaining Challenges 3
• 1.3. Overview of Solutions 4
• Chapter 2. Design Method of Jamming Cores for Targeted Degrees of Freedom 7
• 2.1. Introduction 7
• 2.1.1. Motivation and Background 7
• 2.1.2. Overview 9
• 2.2. Methods 9
• 2.2.1. Design Principles of the Sandwich Jamming Core 9
• 2.2.2. DoF Selection and Topology Optimization 13
• 2.2.3. Geometric Preprocessing and Parametric Optimization 16
• 2.3. Fabrication 22
• 2.4. Results 23
• 2.4.1. Experimental Validation of Simulations 23
• 2.4.2. Fine-Tuning of Geometric Parameters 25
• 2.4.3. Stiffness Characterization of Optimized Core Designs 29
• 2.4.4. Topology-optimized Core Designs for Various DoFs 32
• 2.4.5. Optimized Core Designs for Various Targets 34
• 2.4.6. Wearable Glove Demonstration 36
• 2.5. Summary and Discussion 39
• Chapter 3. Gallium Phase Change and Adhesive Interfacial Locking for Wide Stiffness Variability 42
• 3.1. Introduction 42
• 3.1.1. Motivation and Background 42
• 3.1.2. Overview 44
• 3.2. Design and Operating Principles 45
• 3.2.1. Core Structure Design and Stiffness Modeling 46
• 3.2.2. Analytical Expression of Spine and Flap Geometry 50
• 3.2.3. Gallium-Based Stiffness Modulation 52
• 3.3. Fabrication 54
• 3.4. Results 54
• 3.4.1. Stiffness Performance 55
• 3.4.2. Effect of Oxide-Induced Adhesion 58
• 3.4.3. Effect of Geometric Parameters 59
• 3.4.4. Stiffness Estimation from Analytical Model 64
• 3.4.5. Modification to Thermal Conductivity 66
• 3.4.6. Wearable Glove Demonstration 67
• 3.5. Summary and Discussion 70
• Chapter 4. Pre-Programmable, Multi-Stage Stiffness Modulation with Gallium-Injected Structures 74
• 4.1. Introduction 74
• 4.2. Design and Methods 77
• 4.2.1. Pre-Programmable Multi-Stage Stiffness Modulation 77
• 4.2.2. Gallium Injection and Removal 80
• 4.2.3. Three-Point Bending Setup 82
• 4.3. Fabrication 83
• 4.4. Results 85
• 4.4.1. Stiffness of Porous Structures 85
• 4.4.2. Repeatability of Porous Structures 88
• 4.4.3. Stiffness of Channel-Embedded Structures 90
• 4.4.4. Demonstration 92
• 4.5. Summary and Discussion 94
• Chapter 5. Conclusion 97
• 5.1. Summary of Dissertation 97
• 5.2. Future Work 99
• Bibliography 101
• 국문 초록 110