소프트 액추에이터와 인공근육은 소프트로봇, 외골격, 웨어러블 장치, 생체의료기기 등을 개발하는 데 핵심 요소다.
이런 부드러운 재질은 유연성을 가져 복잡한 환경에서 활용성이 높은게 장점이지만, 낮은 강성으로 하중 지지력이 부족하고 피로 및 손상에 대한 저항성이 떨어지는 것이 단점이다.
또 인장력으로 인한 탄성이 원치않는 진동을 만들어 정밀제어를 어렵게 하는 것도 문제다.
이 같은 한계를 극복하기 위해 높은 변형성과 함께 출력 및 하중 지지력을 갖춘 가변강성소재가 주목받고 있다.
유연하면서 자동차 무게 견디는 인공근육
한국연구재단은 UNIST 정훈의 교수팀이 고무처럼 8배 이상 늘어나면서 자동차의 하중도 견딜 수 있는 강하고 부드러운 자성 복합 인공근육이 개발했다.
이번에 개발한 인공근육은 기존 형상기억고분자의 좁은 강성범위를 해결하기 위해 표면처리 된 강자성 입자를 결합함으로써 하중 지지력과 신축성을 크게 높인 것이 특징이다.
형상기억고분자는 가변강성 소재의 일종으로, 온도, 전기, 빛 등 외부 자극에 의해 특정 형태로 변형된 후 자극이 사라지면 원래대로 돌아오는 성질을 갖는다.
특수표면처리를 한 강자성 입자는 형상기억고분자와 물리적 얽힘을 형성, 복합재의 기계적 물성을 높이고 외부 자기장에 효율적인 반응한다.
이를 활용한 자성 복합 인공근육은 외부 전선 없이 레이저 등의 광원으로 근육 강성을 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 전환할 수 있다.
아울러 자기장 제어로 인공근육의 신장, 수축, 굽힘, 비틀림 등 가역적이고 복잡한 동작을 연속 수행할 수 있다.
이렇게 개발한 인공근육은 부드러운 상태에서 8배 이상 늘어나고, 딱딱한 상태에서의 하중지지 능력은 자기무게 대비 인장응력 최대 1,000배, 압축응력 최대 3690배를 견딜 수 있다.
이와 함께 움직임을 제어하는 액추에이터로서 작동성능은 에너지효율 90.9%, 작동 변형률 63.8%/s, 작업밀도 129.5 kJ/m3 등 우수한 성능을 기록했다.
아울러 연구팀은 소프트 액추에이터에서 발생하는 불필요한 진동을 줄이기 위해 하이드로젤을 덧붙인 이중층 구조로 제작함으로써 빠른 동작 중에도 소프트 인공근육을 정밀하게 제어할 수 있게 만들었다.
연구팀은 이번 연구결과가 의료분야는 물론 정밀 제조로봇, 위험지역 원격제어로봇 등에 활용할 수 있을 것으로 전망했다. 이밖에 생체의료기기, 웨어러블 디바이스, 소프트 그리퍼, 생체모방로봇 등에도 혁신적 응용이 기대된다.
정 교수는 “이번 연구는 기존 인공근육의 한계를 극복한 우수한 기계적 특성과 구동성을 바탕으로 다양한 분야에서 응용할 수 있을 것”이라며 “특히 다중자극 방식인 레이저 가열과 자기장 제어로 신장, 수축, 굽힘, 비틀림 등 복잡한 동작을 원격 제어할 수 있다”고 설명했다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 지난달 10일자 온라인판에 게재됐다.
