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엔진에 대해 사이클에 관련 이론은 어떤게 있나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.열역학에 있어서열기관 관련 사이클이라면카르노 사이클에 따른 카르노 기관이 있겠습니다.1, 카르노 사이클 카르노 사이클은 19세기 경 프랑스의 물리학자 카르노에 의해 고안된 가역 이상 열기관 사이클입니다.여기서 가역이상 이라는 말은 실제로 실현 가능한 열기관 사이클은 오토 사이클(Otto cycle)과 같이 정적가열→단열팽창으로 진행되거나 디젤 사이클(Diesel cycle)과 같이 정압가열 →단열팽창으로 진행되는 것이 아니라,등온팽창에서 단열 팽창으로 넘어가기 때문에 실현이 불가능하기 때문에 붙여진 말 입니다.등온 팽창,단열 팽창, 등온 압축, 단열 압축을 거치는 이상적인 가역 사이클2, 카르노 기관 카르노 기관은 [이상 기체]를 작동 유체로 사용하는 가상의 열 기관을 말합니다. 실제로 실현이 불가능한 기관이며 열 손실이 없기 때문에 존재하는 열 기관 중 가장 높은 효율을 가집니다. 열역학 제2법칙을바탕으로 한 이론적 모델로 열기관의 최대 열효율을 계산하고, 열기관의 성능 한계를 보여줍니다. 열역학 제 2법칙은 엔트로피 법칙으로 열이 저온에서 고온으로 이동이 불가합니다. 이에 따라 열기관 효율에는 제한이 있습니다 카르노 기관은 이런 열역학 제 2법칙을 바탕으로 열기관이 달성 가능한 최대 열효율을 수학적으로 도출한 모델입니다. 실제 열기관의 성능은 카르노 기관 효율보다 낮으나, 카르노 기관은 열기관 설계 및 성능 향상을 위한 중요한 이론적 토대를 제공해 줍니다.
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기계공학
24.10.23
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내연기관에서 효율을 높이는 방법은 무엇인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.내연기관이라면가솔린 및 디젤로 나뉘겠습니다만가솔린 엔진에서의 기술을 한 예로 들어보겠습니다. 엔진 열효율 정의에 따른 방법 스파크 점화기관의 이론 열효율(ηth)은 다음과 같은 식으로 표현됩니다. ηth = 1 - 1 /ε k-1 (k는 비열비) 이 관계식은 오토사이클이라고 알려진 이상 사이클의 열효율로, 효율을향상시키려면 엔진 압축비(ε)를 높이고 희박 연소 효과가 발생하도록 하면 되는데 이 방법은 팽창 비를 압축비보다 높게 설정하고 있는 열 아트킨슨 사이클 엔진에 실용화되고 있습니다.가솔린 엔진 열효율을 향상시키는 방법은 팽창 비를 높임과 동시에 노킹대책과 희박연소효과를 부가하여야 합니다. 특히 희박연소에 대해서는과급기와 조합하면 효과가 더욱 증대되는데요실제 엔진에서는 각종 손실이 존재하는데 엔진 부하가 높아지면 펌프 손실, 마찰 손실 및 냉각손 실은 감소하며, 이는 부하가 높아지면 열효율이 향상된다는 것을 나타냅니다. 그러나 가솔린 엔진의 경우 부하가 높아지면 노킹이 발생하기 때문에 노킹 방지를 위한 기술이 중요한 이슈가 됩니다.실린더 내 난류를 강하게 하고 점화계통을 강화시키면 연소촉진에 큰효과가 있습니다. 또 열효율을 향상시키려면 과급기와 희박연소를 조합하면 그 효과가 더욱 커집니다만 밸브 타이밍 제약이라든가 연소실 내온도가 높아지는 등 문제에 대한 대책이 필요합니다.냉각 EGR은 최근 프리우스에 적용되는 기술로 노킹의 개선과 냉각손실의 감소효과에 의해 최고 열효율을 더욱 높일 수 있지만, 열효율의 향상과 냉각손실을 감소하는 관점에서 희박연소가 EGR보다효과가 크다 볼 수 있습니다. 그 이유는 연소 시 총 가스량을 증가시킬 수 있고 또한가스 열용량을 높여서 연소가스 온도를 낮출 수 있기 때문입니다.
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기계공학
24.10.23
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기계 설계시에 고장 수리가 용이하게 하는것을 설계에 고려 하나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계를 설계 함에 있어서고려해야하는 윈칙은 무수히 많습니다만필수 원칙을 추리면 대략 9가지 정도가 되며그 중에 고장이나 수리를 고려하는 부분은결국 기계의 수명 주기를 고려하는 부분입니다.당연히 기계 설계 시 고려하는 부분이지요.기계설계 시 필수원칙을 추려본다면1, 설계 고려사항 이해 여러 요소를 고려한 통합적인 접근이 필요하기에 설계의 목적, 기능, 안전, 환경영향, 제조가능성 및 비용적효율 요소를 전체적으로 이해 해야함2, 재료의 선택 각 재료 마다 성능 및 내구성에 영향을 주는 속성이 있기에 올바른 재료 선택을 위해 금속, 고분자, 세리믹 같은 일반적인 재료 선택 시 강도, 무게 , 내식성, 열적 특성 등을 고려해야 함3, 구조해석 및 응력분석 기계설계는 결국 시스템의 구조적 무결점을 목표로 하기에 하중이 가해진 상태에서 재료의 상태예측, 힘의 분포, 설계가 목표로하는 동작조건에 대한 인내력 등을 확인필요하며 정/동역학 및 유한요소해석 같은 개념을 통한 응력분석으로 설계의 안전/신뢰성을 보장해야함4, 동력전달 시스템 기계시스템은 결국 힘의 전달이므로, 기어/벨트, 샤프트 및 체인에 관련된 원리를 이해하여 , 효율적 동력전달 시스템을 설계하여, 설계 성능을 최적화해야하기에 기어비, 토크, 속도 및 효율성에 대해 검토가 필요함5, 제작 가능성을 고려 제조가능성을 위한 설계 (DFM : Design for Manufcturability) 에는 경제적이면서도 효율적으로 제작이 가능한 설계를 생성하는 작업이 포함되는데 어셈블리 고려사항 및 부품통합, 공차분석, 비용최적화 같은 개념을 설계시 포함해야 함6, 지속가능성 및 친환경 지속가능성을 고려하는 것은 설계에 있어 아주 중요한 부분으로 수명주기 평가, 에코디자인, 재생 에너지 통합 같은 개념을 접목하여 결과적으로 수명의 연장을 통한 재생산 재료소비감소, 재료 재활용 등을 검토해야함7, 프로토 타이핑 / 테스트 본격 생산전 디자인 검증 및 개선을 위한 프로토 타이핑이 필수. 3D 프린팅, CNC 머시닝 및 레피드프로토타이핑 등 방법을 통해 그에 대한 철저한 테스트/ 분석을 통해 설계결함 식별을 함으로서 성능 최적화 및 기계수명증대 에 도움이 됨8, 인적요소 이해 인체공학/인적요소 고려 설계를 위해 인간 대 기계 상호작용 및 인체공학 원리를 이해하여 사용자 입장 편리함, 안전 및 효율성을 보장하게 해야함이러한 기계설계의 필수적 원칙들을 고려함으로써결과적으로 기계의 수명 또한 고려한 설계가 완성 되는 것입니다.
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기계공학
24.10.23
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실제로 대나무 헬리콥터가 가능한가요??
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.작용 반작용의 법칙에 따르면엔진을 쓰던 안쓰던모자로 쓰는 방식으로 똑같은 형식이라면헬리콥터가 불가합니다.프로펠러가 회전하면서 각 운동량이 발생하고그 각 운동량이 보존되려면반대방향의 각 운동량이 발생해야하는데요그러려면 몸이 반대로 돌아가야 합니다..이 상태로는 비행이 불가하겠죠.그러면 실제 헬리콥터는 왜 빙빙안돌고 자세를 유지할까요?앞서 말씀드린 각운동량 보존에 따라헬리콥터 몸체를 회전시키게 되지만꼬리의 회전 날개를 이용하여 회전력을 상쇄 시킵니다.헬리콥터를 보면동체 상부 메일 프로펠러 외에꼬리 부분에 옆으로 밀어내는 작은 프로펠러가 있는데그것이 회전력 상쇄 목적입니다.
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기계공학
24.10.23
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산업용 로봇에 사용되는 센서 기술은 어떤 기술인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.꼭 산업용 로봇이라기 보다는로봇의 목적 중에서 산업용으로 사용함에 따라 산업용 로봇이라 칭하게 되기에범용적으로 로봇에 사용되는 센서에 대해 나열해 보겠습니다.1, 자기 위치 센서컨슈머 로봇, 서비스 로봇, 소셜 로봇, 산업용 로봇 등에 가장 널리 사용되고 있는 센서 기술이 자기 각도 위치 센서 IC로거의 모든 관절에 2개 이상의 자기 각도 위치 센서가 사용됩니다.각기 축으로 동작을 위해서 다시 말해서 관절 회전을 위해서 최소한 하나의 자기 각도 위치 센서가 사용되는데관절 모터 컨트롤러로 모터 정류 피드백을 위해서 자기 각도 위치 센서 IC의 사용이 갈수록 늘어나고 있으며, 로봇 관절의 폐쇄 루프 모터 제어를 위해서는 관절 기어 각도 위치 피드백이 필요합니다. 그러므로 로봇 관절을 움직이기 위해 각기 축으로 2개의 각도 위치 센서를 필요로 합니다2, 점유센서 다수의 점유 센서 기술들이 사용됩니다. 이 정보를 융합하므로써 로봇은 공간을 감지하고 물체를 감지하고 회피하는 것이 가능합니다. 오늘날 새로운 컨슈머와 전문적 서비스 로봇에는 2D·3D 비전 스테레오 카메라가 흔히 사용되며,ToF(Time of Flight) 센서 같은 새로운 첨단 센서 기술들이 도입되고 있습니다. 이 같은 센서의 일종인 라이다(LIDAR) 센서는 로봇이 작동하고 있는 공간과 주변 환경에 대해서 고분해능 3D 맵핑을 제공합니다. 그러므로 주변을 더 잘 돌아다니고 임무를 더 잘 수행할 수 있게 됩니다.3, 동작 센서정교한 로봇에 동작 센서의 사용이 점점 늘어나고 있습니다. 동작 센서를 사용함으로써 사용자 인터페이스 명령을 제공할 수 있는데요. 동작 센서 기술은 광학 센서와 로봇 작업자가 착용할 수 있는 제어 암밴드 센서를 포함합니.광학 기반 동작 센서를 사용하면 특정한 손 움직임을 인식하고 특정한 동작이나 손 움직임에 따라서 특정한 작업을 수행하도록 로봇을 학습시킬 수 있습니다. 이러한 동작 센서를 사용하면 가정이나 병원에서 의사소통이 부자유스러운 사람들을 위해서 다양한 것들이 가능하며, 스마트 팩토리에서도 다양하게 활용할 수 있습니다. 암밴드 제어 센서를 사용하면 이를 착용한 작업자가 협업 로봇, 산업용 로봇, 의료용 로봇, 군용 로봇과 통신을 하고 제어를 해서 작업자가 자신의 팔을 움직이는 것을 그대로 따라 하는 것으로 특정한 작업을 수행하도록 할 수 있습니다.4, 힘·토크 센서힘·토크 센서는 로봇 말단 장치나 그리퍼뿐만 아니라 몸통, 팔, 다리, 머리 같은 다른 부분에도 사용되고 있습니다. 힘·토크 센서를 사용함으로써 움직임의 속도를 감지하고, 장애물을 감지하고, 로봇의 중앙 프로세서로 안전성 경고를 제공할 수 있습니다.5, 환경 센서환경 센서는 공기 중의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 감지하는 센서, 온도와 습도 센서, 압력 센서, 조명을 감지할 수 있는 센서 등을 들 수 있습니다. 이 같은 센서를 사용해 로봇이 더 효율적이고 안전하게 작업할 수 있을 뿐만 아니라, 로봇 주변의 사람들에게 안전하지 않은 환경 조건을 경고 할 수도 있습니다.6, 전원관리 센서다음 충전까지 로봇의 동작 시간을 늘릴 수 있으며, 또한 오늘날 자율 로봇에 가장 일반적으로 사용되는 배터리로서 리튬이온 배터리를 충전하거나 소모할 때 과열되지 않도록 할 수 있습니다. 로봇 관절 모터의 전압 레귤레이션과 전력과 열 관리에도 전원 관리 센서가 사용됩니다. 마이크로프로세서, 센서, 엑추에이터 같이 모든 로봇 전자 장치들이 효율적이고 적절하게 작동하기 위해서 잡음과 리플이 낮은 전원과 레귤레이션을 필요로 하며, 로봇 전원 관리를 위한 최신 센서 솔루션들로서, 배터리 방전과 충전을 계산하기 위한 쿨롱 카운터, 전압 레귤레이터의 과열 감시를 위한 센서, 배터리 관리를 위한 전류 센서 등이 사용됩니다.※ 이와같은 혁신적인 새로운 센서 기술들을 도입하고, 이들 센서로부터 데이터를 융합함으로써 오늘날 첨단 로봇을 더 자율적으로 더 안전하게 작동하게 할 수 있습니다. 컴퓨팅 성능, 소프트웨어, 인공 지능이 빠르게 발전하고 있는 한편, 이런 새로운 센서 기술들을 결합함으로써 첨단 로봇은 더 다양한 영역의 애플리케이션에 사용될 수 있으며, 이전보다 더 정밀하고 섬세하게 작업을 수행할 수 있습니다.이상 간단히 로봇에 사용되는 센서 기술을 열거해 보았습니다.
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기계공학
24.10.23
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미래와 과거를 다니는 타이머신은 만들 수 있는 기계일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.타임머신은패러독스 문제, 에너지 문제, 현재 과학기술 수준 등 여러가지 이유로 불가능한 부분이 있기에하나하나 열거해 보겠습니다.1, 원리 일반상대성 이론 및 양자역학의 이해가 필요합니다.일반상대성 이론은 아인슈타인이 제시한 것으로, 중력/시간 , 공간의 상호작용을 설명합ㄴ디ㅏ.중력이 강한 곳에서 시간이 느리게 흐르고, 약한 곳에서 시간이 빨리 흐릅니다.이 원리를 이용하여 웜홀 및 블랙홀을 통한 시간여행의 가능성이 제시됩니다. 양자 역학 에서는 양자 중첩과 양자 얽힘 같은 현상을 통해 시공을 초월하는 현상이 가능하다 설명됩니다. 하지만 아직 증명이 되지 못한 주제 분야 입니다.에너지도 문제로 웜홀/ 블랙홀을 통한 시간여행은 막대한 양의 에너지를 필요로 하나현재 기술로는 실현 불가한 수준입니다.2, 실현 가능성 현재로선 극히 낮은 상황입니다.기술적 한계웜홀/ 블랙홀을 안전하게 사용가능한 기술이 부재내부 통과 시 막대한 중력을 감당할 기술이 없음에너지 문제웜홀/블랙홀 통과 시 필요한 막대한 양의 에너지 생산/저장 기술 수준 부재물리적 한계일반상대성 이론과 양자역학의 서로의 모순점으로 인한두 이론 통합하는 양자중력이론이 미완성3, 불가능 이유패러독스 문제과거로 갔을 때 나의 조부모가 서로 만나지 못했다면, 나는 태어나지도 못한다는 문제에너지 문제시간여행을 위해 필요한 막대한 양의 필요에너지 감당 문제 해결 불가현재 과학기술일반상대성이론 및 양자역학을 통합하는 새로운 이론이 필요하고이를 증명할 실험적 기술도 필요이런 종합적인 이유를 볼 때아직까지는 타임머신은 현재의 과학수준을 넘어서는 상상의 영역으로 판단되고 있습니다.
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기계공학
24.10.23
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AI의 정확한 정의나 의미는 무엇인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.1, 인공지능 ,AI( Artificial Intelligence)의 정의는 인간의 학습능력, 추론능력, 지각능력을 컴퓨터나 기계에 구현하는 것이 목적인 컴퓨터 과학의 한 분야입니다. 인공지능은 인간이나 동물이 갖고 있는 자연 지능 (Natural Intelligence)과는 다른 개념이며, 인공적으로 만들어진 지능을 갖춘 컴퓨터 시스템이라고 할 수 있습니다. 2, 역사 인공지능의 역사는 고대부터 장인들이 지능이나 의식을 부여한 인공 존재에 대한 신화, 이야기, 소문과 함께 시작되었습니다. 현대 인공지능에 대한 생각의 씨앗은 인간의 사고 과정을 기호의 기계적 조작으로 설명하려는 철학자들에 의해 심어졌으며. 이 작업은 1940년대에 수학적 추론의 추상적 본질에 기반한 프로그래밍 가능한 디지털 컴퓨터의 발명으로 절정에 달했습니다. AI 연구 분야는 1956년에 존 매카시가 제안한 것으로, "기계를 인간 행동의 지식에서와 같이 행동하게 만드는 것"이라고 정의했습니다.3, 인공지능의 종류와 기술인공지능은 진화 수준에 따라, 크게 약한 인공지능 (Weak AI), 강한 인공지능 (Strong AI), 초인공지능 (Super AI) 등 세 가지로 구분할 수 있습니다. 약한 인공지능은 스스로 사고하며 문제를 해결할 수 있는 능력이 없는 컴퓨터 기반의 AI입니다. 강한 인공지능은 스스로 사고하며 문제를 해결할 수 있는 컴퓨터 기반의 AI입니다. 초인공지능은 강한 인공지능이 진화한 형태로, 인간보다 1000배 이상 뛰어난 지능을 가진 AI입니다. 인공지능의 기술은 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 대표적으로 머신러닝 (Machine Learning), 딥러닝 (Deep Learning), 자연어 (Natural Language Processing), 컴퓨터 비전 (Computer Vision), 로봇공학 (Robotics) 등이 있습니다.
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기계공학
24.10.23
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기계에서 사용하는 베어링의 역할은 무엇인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.베어링은 물체의 회전을 돕는 부품으로서기계 내부에서 회전하는 '샤프트'를 지지하는 부품입니다.베어링을 사용하는 기계에는 자동차, 비행기, 발전기 등이 있습니다.냉장고, 진공청소기, 에어컨과 같은 가전제품에도 베어링이 사용됩니다.이러한 기계에서 베어링은 바퀴, 기어, 터빈, 로터 등다양한 부품이 장착된 '축'을 지지하여 축이 원활하게 회전할 수 있도록 돕는 역할을 합니다.다양한 유형의 기계에 수많은 회전하는 "샤프트"가 사용되기 때문에베어링은 "기계 산업의 필수품"으로 알려진 필수 부품이 되었습니다.베어링은 눈에 잘 띄지 않는 것처럼 보이지만 실제로는 필수적인 부품입니다.베어링이 없다면 우리는 정상적인 생활을 영위할 수 없습니다.베어링의 핵심적인 두 가지 주요 기능이 있습니다:마찰을 줄이고 회전을 부드럽게 유지회전하는 '샤프트'와 지지대 사이에 마찰이 발생하는데,그 사이에 베어링을 설치하여 마찰을 줄여 회전을 더 부드럽게 하고 에너지 소비를 줄입니다.이것이 바로 베어링의 기능입니다.회전 지지대를 보호하고 회전하는 "샤프트"를 올바른 위치에 유지회전하는 '샤프트'와 그 지지 구조는 상당한 양의 힘을 견뎌냅니다.베어링은 이 힘으로 인한 회전 지지대의 손상을 방지하고 회전하는 '샤프트'를 올바른 위치에 유지하도록 도와줍니다. 이러한 베어링의 기능 덕분에 기계를 오랫동안 반복적으로 사용할 수 있습니다.기계에서 사용되는가장 일반적인 베어링에는볼베어링과 롤러베어링 형태가 있습니다.일반적인 대부분 경우에 볼베어링이 적용되고롤러 베어링은 하중이 아주 많이 걸리는 상황에서 자주 사용 됩니다.
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기계공학
24.10.22
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산업용로봇이 주로 제조업에 쓰이는 이유는 무엇일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.더 크게 본다면스마트 팩토리를 생각해볼 수 있는데요.스마트 팩토리는 정보통신기술 (ICT)과 사이버-물리 시스템 (CPS)을 결합하여 제조 공정을 최적화하고 자동화하는 새로운 형태의 팩토리입니다. 인공지능 (AI)과 로봇을 활용하여 공장 내 설비와 기계에 센서 (IoT)가 설치되어 데이터가 실시간으로 수집, 분석되어 공장 내 모든 상황들이 일목요연하게 보이고 (Observability), 이를 분석해 목적된 바에 따라 스스로 제어 (Controllability)되는 공장을 말합니다. 스마트 팩토리는 제조업의 현재와 미래를 바꾸고 있습니다.스마트 팩토리란 인공지능과 로봇이 만들어내는 미래의 제조업이라고 할 수 있습니다. 스마트 팩토리는 센서, 인공지능, 로봇, 클라우드, 엣지 컴퓨팅, 빅데이터, 사이버-물리 시스템, 블록체인, 5G 등의 다양한 기술들이 융합되어 공장의 데이터를 수집하고 분석하고 제어하고 학습하는 공장입니다. 스마트 팩토리는 제조업의 현재와 미래를 바꾸고 있으며, 다양한 산업 분야에 적용되고 있습니다. 스마트 팩토리는 제조업의 효율성, 품질성, 안전성, 친환경성 등을 높이는 데 기여할 뿐만 아니라, 새로운 비즈니스 모델과 가치 창출의 기회도 제공합니다. 스마트 팩토리는 제조업의 혁신과 경쟁력을 높이는 핵심 요소로 인식되고 있으며, 시장 규모와 성장률도 높습니다.
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기계공학
24.10.22
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앞으로 미래에로봇이얼마나 실생활에
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.실생활에 들어오는 로봇이라면결국에는 휴머노이드를 생각할 수 있습니다.다양한 산업 분야에서 인력 부족과 위험한 환경에서의 작업 수행을 위한 자동화 수단으로의 요구와 함께, 인간과 로봇 간의 상호 작용 연구가 증가함에 따라 유래되었습니다. 또한, 노인 인구의 증가와 의료 서비스 수요 증가에 따른 의료 로봇의 필요성도 휴머노이드의 발전을 촉진하는 요인 중 하나입니다.휴머노이드의 발전은 로봇공학, 인공 지능, 재료 공학 등 다양한 기술 분야의 연구와 혁신에 의해 이루어지고 있습니다. 초기에는 주로 정적인 형태의 로봇이 개발되었으나, 최근에는 동적인 움직임과 상호 작용을 수행하는 고급 휴머노이드가 등장하고 있습니다. 이러한 발전은 인간과 로봇 간의 협력과 상호 작용의 확대를 가능하게 하고 있으며, 휴머노이드가 산업, 의료, 교육 등 다양한 분야에서 보다 널리 사용되도록 이끌고 있습니다.
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기계공학
24.10.22
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