적은 힘으로 빠른 움직임을 만들어내는 방법 - Bi-Stable Mechanism

 영구기관만큼은 아니더라도, 일상에서 작은 힘으로 큰 변화를 만들어 낼 수 있는 것을 한 번쯤을 꿈꾸게 된다. Bi-stable Mechanism은 착시효과를 통해서 작은 힘을 준 것처럼 느낌을 주면서 큰 변화를 만들어내는 원리라고 할 수 있다.

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 가장 간단한 원리는 위와 같을 것이다. 우리가 일반적으로 사용하는 스위치에도 비슷한 원리가 적용되어 있다. 레버를 살짝만 움직이려고 해도, 레버 끝 부분에 장착된 스프링 덕분에 휙휙 움직이는 모션을 만들어낼 수 있다. 사실 임계점에 도달하기까지의 에너지를 축적하다가 한순간에 방출시킨 뒤, 나머지 움직임은 관성으로 이뤄지기 때문에 명백한 착시현상이다. 

 

 Bi-stable 이라는 이름은 위와 같은 그래프에서 이해할 수 있다. X1에 있을 때 빨간 공은 안정감을 느낀다. X2에서도 마찬가지이다. 그러나 X3에 오게 되면 상당히 불안정하다. 그렇기 때문에 아주 작은 힘을 가해주더라도 X1 또는 X2로 빠른 이동이 가능한 것이다. 물론 다시 X3로 움직이기 위해서는 에너지 보존법칙에 따라 빠른 이동을 한 만큼의 에너지를 가해줘야 한다.

 

 

 유튜브에 존재하는 bi-stable mechanism 중에서 가장 신기한 작동은 위 영상이다. 57초의 짧은 영상임에도 무려 185만 조회수를 가지고 있는데, 어쩌다가 사람들이 이렇게 많이 들어오게 되었나 신기할 따름이다. 위 영상의 원리는 Singularity를 사용한 것이다. "특이점"이라는 이름으로도 번역되는데, 어떤 연속적인 그래프에서 미분이 되지 않는 한 점(Single point)를 지칭하는 말이다. 

 

 손가락을 쫙 편 채로 바닥에 대고 누르면, 잘 굽혀지지 않는다. 대신 관절이 엄청나게 아프다. 반대로 살짝만 구부리고 바닥에 누르면 쉽게 구부러지는 것을 볼 수 있다. 굽혀지는 움직임을 위해서는 굽혀짐의 중심 부분에서부터 길이 차이가 필요한데(Moment arm이라고 부른다), 손가락이 쫙 펴진 상태에서는 굽힘 중심과 힘이 일직선상을 이루면서, 길이 차이가 0이 된다. 그렇기에 굽혀지는 움직임 역시 0이 되고, 잘 굽혀지지 않는 것이다. 

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 기계 구조 중에서 외부 전원과 구동기를 사용하는 것을 Active라고 부르고, 반대로 외부 전원이나 구동기가 별도로 필요하지 않은 것을 Passive라고 부른다. 환경의 변화에 따라 수동적으로 움직인다는 뜻이다. Passive 구조는 웨어러블 슈트에서 끊임없이 연구되는 분야인데, 배터리나 모터를 달지 않고 중량을 줄일 수 있으면서 신체 움직임과 자연스럽게 어울리기 때문이다.

 

 그렇기 때문에 Bi-stable 구조가 중요하다. 신체의 움직임에 따라서 모드를 변환시킬 수 있다면 외부 전원을 사용하지 않을 수 있다. 다만 구조를 이해하고 실제로 적용하는 것에 엄청나게 많은 노력이 필요할 것으로 예상될 뿐이다.