화학연, 광화학 기반 소프트로봇용 인공근육 개발
광화학 소재 대비 3배 긴 작동거리, 2배 높은 성능

한국화학연구원은 빛으로 작동하는 반결정성 액정탄성체 기반의 수중로봇용 인공근육을 개발했다. 화학연 제공

아조벤젠 기능화된 반결정성 액정 탄성체(AC-LCE) 소재로 만든 스프링 구조 인공 근육에 자외선을 비춰 동작을 유도하는 모습. 화학연 제공

물속에서 빛으로 자유롭게 움직이는 소프트 로봇용 인공 근육이 개발됐다.

한국화학연구원은 김현 박사와 이하범 부산대 교수, 테일러 웨어 미국 텍사스 A&M대 교수 연구팀이 공동으로 빛으로 작동하는 액정 탄성체 기반의 수중 로봇용 인공 근육을 개발했다고 4일 밝혔다.

기존 소프트 로봇용은 배터리, 모터, 기어 등의 부품이 물에 노출되면 안정적으로 제어하기 어려워 물 속에서 사용하는 데 제약이 있다. 이를 극복하기 위해 빛을 이용해 변형을 유도하는 광열 또는 광화학 소재가 주목받고 있지만, 물리화학적 특성과 구조 등에 따라 구동 성능과 환경이 달라진다.

연구팀은 '아조벤젠 기능화된 반결정성 액정 탄성체(AC-LCE)' 소재를 활용해 물속에서 더 많은 형태 변형과 강력한 운동 능력을 구현하는 데 성공했다. AC-LCE 소재는 빛을 받으면 분자 구조가 바뀌어 모양이 변하고, 구조가 고무처럼 유연하면서도 강하고 튼튼해 다양한 형태로 만들 수 있을 뿐더러 반복해서 줄어 들었다가 다시 늘어날 수 있는 인공근육 스마트 소재를 말한다.

연구팀은 강성이 조절되는 새로운 액정 고무 소재에 광화학 분자 '아조벤젠'을 넣어 빛을 받으면 움직이도록 만들었다. 기존 광열 소재와 달리 AC-LCE 소재는 빛을 꺼도 바로 원래대로 돌아가지 않고 일정 시간 동안 수축 또는 이완된 상태를 고정할 수 있어 인공근육 부위별로 원하는 동작 순서와 위치를 조절할 수 있다.

연구팀은 스프링 구조 형태의 액정 탄성체 기반 인공 근육 소재를 선형 및 고리형으로 제작, 로봇 부품처럼 조립해 성능을 실험한 결과, 기존 광화학 기반 인공 근육 소재보다 늘어나거나 줄어드는 길이는 3배 이상, 움직이는 힘은 포유류의 일반적인 근육보다 2배 이상 강함을 확인했다.

특히 수중 환경에서 자외선과 가시광선으로 수축·이완을 원격 조절해 소프트 로봇에 동력을 제공함으로써 물속을 이동하게 하거나 로봇 손이 물체를 쥐거나 놓도록 하는 모습을 보여줬다. 이 과정에서 배터리, 기계장치, 와이어, 펌프 등 어떤 연결 없이도 빛 만으로 100회 이상 반복적으로 조작할 수 있었다.

연구팀은 2030년 이후 실용화를 목표로 후속연구를 진행할 계획이다.

김현 화학연 박사는 "기존 기계·전기 장치 기반 동력 장치 한계를 극복하고 수중 환경에서도 별도 전원이나 기계장치 연결 없이 작동할 수 있는 차세대 소프트 로봇 소재 기술을 제시했다는 의미가 크다"며 "추가 연구를 통해 의료, 국방, 극한 환경 등 다양한 분야 실용화도 목표로 하고 있다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '스몰(Small)' 후면 표지 논문(2월)으로 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr

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