자신의 무게보다 34배 이상 힘을 낼 수 있는 인공근육 소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 소자는 소프트 로봇, 의료기기, 웨어러블 장치 등에 적용시킬 수 있다.
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 오일권 교수연구팀은 협소한 공간에서 초저전력으로 작동시킬 수 있는 이온성 고분자 인공근육을 이용한 유체스위치를 개발했다고 4일 밝혔다. 유체스위치는 유체 흐름을 제어함으로써 특정방향으로 유체가 흐르게 해 다양한 움직임을 유발하도록 한다.
인공근육은 인간의 근육을 모방한 것으로 전통적인 모터에 비해 유연하고 자연스럽게 움직이기 때문에 소프트 로봇이나 의료기기, 웨어러블 장치 등에 주로 사용된다. 이러한 인공근육은 전기, 공기 압력, 온도 변화와 같은 외부 자극에 반응해 움직이는데, 인공근육을 활용하기 위해서는 이 움직임을 얼마나 정교하게 제어하는지가 중요하다.
또 기존 모터를 기반으로 한 스위치는 딱딱하고 큰 부피로 인해 제한된 공간에서 사용하는데 어려웠다. 이에 연구팀은 좁은 공간에서도 큰 힘을 내며 유체 흐름을 제어할 수 있는 이온성 고분자 인공근육을 개발해 이를 소프트 유체스위치로 활용했다.
연구팀이 개발한 이온성 고분자 인공근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 구성돼 있으며, 전기에 반응해 힘과 움직임을 발생시킨다. 초저전력(~0.01V)에서 구동하면서 무게 대비 큰 힘을 낼 수 있도록 인공근육 전극의 표면에 유기 분자가 결합해 만든 다공성의 공유결합성 유기 골격구조체(pS-COF)를 활용했다.
그 결과, 머리카락 정도의 얇은 180마이크로미터(㎛) 두께로 제작된 인공근육은 가벼운 무게 (10mg)대비 34배 이상의 큰 힘을 내며 부드러운 움직임을 보였고, 이를 통해 연구팀은 낮은 전력으로 유체 흐름 방향을 정교하게 제어하는데 성공했다.
이번 연구를 주도한 오일권 교수는 "초저전력으로 작동하는 전기화학적 연성 유체스위치는 유체 제어를 기반으로 하는 소프트 로봇, 소프트 일렉트로닉스, 미세유체공학 분야에서 많은 가능성을 열어줄 수 있다"며 "이 기술은 스마트 섬유에서 생체의료기기에 이르기까지 우리 일상에서 초소형 전자시스템에 적용할 수 있다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴스드'(Science Advances) 지난해 12월 13일자에 게재됐다.
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