Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator = 오리가미 구조를 가진 양방향 소프트 공압 엑추에이터

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 단일 챔버에서 양압과 음압을 모두 이용하여 신장과 수축을 구현할 수 있는 양방향 오리가미 기반 연성 공압 액추에이터를 제안한다. 제안된 액추에이터는 유리섬유가 삽입된 실리콘 엘라스토머 층과 곡률을 갖는 내부 지지 리브 구조를 적용하여 음압 조건에서의 구조 붕괴를 방지하고, 구조적 안정성과 반복 내구성을 향상시켰다. 또한 실리콘-유리섬유 복합층에 대한 레이저 패터닝과 다중 분할 몰드를 이용한 성형 공정을 결합한 제작 방법을 제시하여, 오리가미 형상의 정밀한 구현과 균일한 벽 두께 제어가 가능함을 보였다.
유효 길이 48 mm, 질량 7.22 g의 프로토타입 액추에이터를 제작하여 성능을 평가한 결과, 양압 및 음압 전 범위에서 부드럽고 안정적인 변형 거동과 유사한 수준의 저항력을 확인하였다. 제안된 액추에이터는 50 kPa에서 최대 12.8 mm의 신장과 –50 kPa에서 –25.1 mm의 수축 변위를 나타냈다. 또한 500회 반복 구동 시험에서도 파손 없이 안정적인 동작을 유지하였으며, 최대 75 kPa의 내부 압력까지 구조적 안정성을 확보하였다. 순수 실리콘 구조, 종이 보강 구조, 리브가 없는 구조와의 비교 실험을 통해, 유리섬유 보강층과 내부 지지 리브가 양방향 구동의 안정성과 내구성 확보에 핵심적인 역할을 함을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents a bidirectional origami-inspired soft pneumatic actuator capable of generating both extension and contraction within a single chamber through positive and negative pressurization. The proposed actuator incorporates a glass-fiber embedded silicone elastomer layer and curved internal support ribs to enhance structural stability, resistance to collapse under negative pressure, and cyclic durability. A scalable fabrication method is introduced that combines laser patterning of the silicone-glass fiber composite with a modular multi-piece molding strategy, enabling precise control of origami geometry and uniform wall thickness. A prototype actuator with an effective length of 48 mm and a total mass of 7.22 g was fabricated and experimentally evaluated. The results demonstrate smooth and stable deformation behavior across the full operating pressure range, as well as comparable resistive forces under both positive and negative pressurization. The actuator achieved maximum displacements of 12.8 mm at 50 kPa and −25.1 mm at −50 kPa. In addition, the proposed design exhibited significantly improved repeatability, successfully completing 500 actuation cycles without failure and maintaining structural integrity at internal pressures of up to 75 kPa. Comparative experiments with silicone-only, paper-reinforced, and ribless actuators further highlight the critical roles of glass fiber reinforcement and internal support ribs in achieving stable bidirectional actuation.

목차 (Table of Contents)

• Abstract (i)
• Table of Contents (ii)
• List of Figures (iii)
• Chapter 1. Introduction (1)
• Chapter 2. Design and Fabrication (3)
• - 2.1. Origami-Inspired Actuator Design (3)
• - 2.2. Material Selection (5)
• - 2.3. Mold Design (6)
• - 2.4. Fabrication Method (8)
• Chapter 3. Result and Discussion (11)
• - 3.1. Performance Test (11)
• - 3.2. Comparison with Other Actuators (16)
• Chapter 4. Conclusion (21)
• Bibliography (23)
• 국문 초록 (27)