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고무처럼 유연한데 자동차 무게 견디는 인공근육

- 가변 강성 소재에 강자성 입자 결합 소프트 로봇 가능성 확장 -

마치 고무처럼 8배 이상 늘어나면서 자동차의 하중도 견딜 수 있는 강하고 부드러운 소프트 인공근육이 개발됐다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 UNIST 정훈의 교수 연구팀이 기존 형상 기억 고분자*에 강자성 입자**를 결합해 강성 변화율을 최대 2,700배 확대한 새로운 자성 복합 인공근육을 개발했다고 밝혔다.

  * 형상 기억 고분자: 가변강성 소재의 일종으로 온도, 전기, 빛 등 외부 자극에 의해 특정한 형태로 변형된 후 자극이 사라지면 원래의 형태로 돌아오는 특성을 가진 고분자

  ** 강자성 입자: 자기장에 강하게 반응하고 자화된 상태를 유지할 수 있는 입자로 철, 니켈 등이 있다.

사람 근육처럼 부드럽게 움직이는 소프트 인공근육은 로봇, 웨어러블 장치, 생체의료기기 등 다양한 응용 분야에서 핵심적인 기술로 주목받고 있다.

기존에는 부드러운 고분자 소재로 제작되어 복잡한 제어 없이 유연한 동작이 가능하지만, 낮은 강성으로 인해 무거운 물체를 들기 힘들고 불필요한 진동 때문에 정밀 제어가 어렵다.

이를 해결하기 위해 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 강성을 변화시킬 수 있는 가변 강성 소재가 쓰이고 있지만 여전히 강성 조절 범위가 제한적이며 기계적 성능이 부족한 한계가 있다.

연구팀은 기존 가변 강성 소재인 형상 기억 고분자에, 자성을 띠면서도 강한 힘을 만들 수 있는 강자성 입자를 결합해 하중 지지력과 신축성을 크게 높인 소프트 자성 복합 인공근육을 개발했다.

특수 표면 처리한 강자성 입자는 형상 기억 고분자와 물리적 얽힘을 형성해 복합재의 기계적 물성을 향상시킬 뿐만 아니라 외부 자기장에 대한 빠르고 효율적인 반응을 가능하게 한다.

이렇게 개발된 인공근육은 최대 2,700배까지 강성을 변화시킬 수 있으며, 부드러운 상태에서는 8배 이상 늘어나고 딱딱한 상태에서 하중지지 능력은 자기 무게 대비 최대 1,000배의 인장 응력과 3,690배의 압축 응력을 견딜 만큼 단단하다.

움직임을 제어하는 액추에이터로서의 작동 성능 측면에서도 에너지 효율 90.9% 등 우수한 성능을 보였다.

연구팀은 기존 소프트 액추에이터에서 발생하는 불필요한 진동을 줄이기 위해 하이드로젤층을 덧붙인 이중층 구조로 제작, 빠른 작동 중에도 소프트 인공 근육을 정밀하게 제어할 수 있도록 했다.

정훈의 교수는 이번 연구성과에 대해 “기존 인공근육의 한계를 극복한 우수한 기계적 특성과 구동 성능을 바탕으로 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다”며 “다중 자극 방식인 레이저 가열과 자기장 제어를 통해 신장, 수축, 굽힘, 비틀림과 같은 기본적인 동작부터 물건을 집어 원하는 위치에 놓는 복잡한 동작까지 원격으로 구현할 수 있다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 9월 10일 온라인 게재되었다. 

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(그림1) 자성 복합 인공근육 및 소재 모식도

가. 자성 복합 근육의 개념을 나타내는 일러스트와 다기능적 특성.

나. 자성 복합 근육의 화학적 구조 설명. 단상 복합재는 형상 기억 고분자와 강자성 입자가 결합된 이중 네트워크 구조로 이루어졌으며, 여기에 하이드로젤이 혼합되면 이상 복합재가 된다. 이상 복합재의 경우 에너지 소산을 돕는 하이드로젤을 포함하고 있어 진동 감쇠를 위한 이중층 구조에 사용된다. (그림3  나 참고)

(그림2) 단상 복합재로 제작된 재구성 가능한 로봇 손

가. 단상 복합재로 제작된 로봇 손의 작동 메커니즘 모식도. 자화된 인공근육을 가열하면 부드러워져 자기장에 반응해 굽히거나 늘어날 수 있으며, 냉각하면 딱딱해져 무거운 물게도 견딜 수 있다.

나. 자기장 제어를 통해 로봇 손의 파지 능력을 보여주는 사진. 레이저 가열을 통해 고온의 부드러운 상태이다.

다. 자성 복합 근육의 뛰어난 하중지지 능력을 나타내는 사진. 딱딱한 상태에서는 자기 무게 대비 100배인 1kg의 무게를 견디고, 부드러운 상태에서는 파손 없이 350%까지 견딜 수 있다.

라. 135%까지 늘어난 상태에서도 수직 방향으로 200g의 무게를 파손 없이 견디는 사진.

(그림3) 자기 복합 근육의 소프트 연속 로봇 적용                         

가. 로봇 매니퓰레이터를 제어하는 자기장 제어 시스템 모식도.

    * 매니퓰레이터(manipulator): 물체를 잡고, 움직이고, 조작하는 역할을 하는 로봇 팔 또는 유사한 장치를 의미함.

나. 다기능성 연속체 로봇 매니퓰레이터의 구조 모식도.

다. 로봇 매니퓰레이터의 복잡하고 연속적인 작동 동작을 수행하는 것을 보여주는 사진. 레이저를 이용한 선택적 국부가열을 통해 특정 부분만 부드러운 상태로 전환시켜 자기장에 반응할 수 있게 함으로써 다양한 동작을 수행할 수 있다.

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