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| ▲ 자성 복합 근육의 개념을 나타내는 일러스트와 다기능적 특성 (사진=유니스트 정훈의 교수 제공) |
[mdtoday=최유진 기자] 마치 고무처럼 8배 이상 늘어나면서 자동차의 하중도 견딜 수 있는 강하고 부드러운 소프트 인공근육이 개발됐다.
한국연구재단은 UNIST 정훈의 교수 연구팀이 기존 형상 기억 고분자에 강자성 입자를 결합해 강성 변화율을 최대 2700배 확대한 새로운 자성 복합 인공근육을 개발했다고 15일 밝혔다.
형상 기억 고분자란 가변강성 소재의 일종으로 온도, 전기, 빛 등 외부 자극에 의해 특정한 형태로 변형된 후 자극이 사라지면 원래의 형태로 돌아오는 특성을 가진 고분자를 말한다.
강자성 입자는 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 제작돼 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 2700배까지 강성을 변화시킬 수 있으며, 부드러운 상태에서는 8배 이상 늘어나고 딱딱한 상태에서 하중지지 능력은 자기 무게 대비 최대 1000배의 인장 응력과 3690배의 압축 응력을 견딜 만큼 단단하다. 움직임을 제어하는 액추에이터로의 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.
한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난 9월 10일 온라인 게재됐다.
메디컬투데이 최유진 ([email protected])
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