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[경제] Science 게재 일자 : 2019년 09월 16일(月)
나비처럼 부드럽게… 내시경 공포마저 날려버린 로봇 근육
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- 소프트 로봇용 인공근육 개발

KAIST, 나노물질 ‘맥신’ 기반 소프트 로봇 개발 … 장애인 웨어러블 로봇에도 적용
1초 만에 빠르게 반응… 의료기기·탐사·재난구조·예술작품 등 유연한 움직임 가능


나뭇가지에 앉은 나비가 팔랑팔랑 날갯짓을 한다. 수선화는 오므렸던 꽃잎을 활짝 편다. 하지만 이 모든 것은 살아있는 생물이 아니다. 카이스트 액티브 소재 및 동역학 시스템 연구실이 만든 로봇이다. 금속으로 만든 딱딱한 로봇이 아니라 부드러운 고무나 천, 고분자 화합물(폴리머)로 제작한 ‘소프트 로봇(soft robot)’이 주목받고 있다. 사람의 근육처럼 유연하게 움직일 수 있어 좁은 곳을 통과하거나 접촉 대상에 주는 충격과 손상을 줄여주기 때문이다. 구불구불한 내장을 따라 깊숙하게 들어가는 유연 내시경이나 수술용 바늘, 탐사·재난 현장에서 조난당한 사람을 구조하는 임무에 제격이다. 장애인의 신체에 부착해 특정 부위의 근력을 증강해주는 웨어러블 로봇에도 쓸 수 있다. 또 자동차·선박 등 제조공장에서는 작업자와 상호 작용하면서도 안전한 로봇을 배치하는 추세다. 인공위성 태양전지판처럼 종이접기 원리를 이용해 활짝 펼치면 커지는 변형 로봇 연구도 활발하다. 만화 ‘드래곤볼’의 압축 캡슐이나 영화 ‘트랜스포머’의 변신 로봇이 현실에 등장할 날이 멀지 않은 셈이다. 카이스트팀이 만든 소프트 로봇용 인공 근육은 로봇 분야 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’ 8월 22일자 표지사진과 논문으로 게재됐다.

한국 연구진은 금속 로봇을 대체하는 소프트 로봇 제작에 필수적인 소프트 액추에이터(구동장치)의 전극 설계에 2차원 나노물질인 ‘맥신’을 처음 사용했다. 기존의 탄소나노튜브와 그래핀 기반 탄소 전극은 소수성(hydrophobic) 특성 때문에 전도성 고분자 소재와 잘 맞지 않았다. 하지만 맥신은 고분자 소재와 잘 결합하는 친수성(hydrophilic)인 데다가, 금속층이 중간에 있어 전도성도 좋다. 그래서 맥신을 전도성 고분자와 결합해 이전보다 훨씬 부드러운 유연 전극을 제작함으로써 1볼트(V) 이하 저전압으로도 문어처럼 180도 각도로 휘어지는 성능을 얻은 것이다. 맥신 기반 소프트 액추에이터는 양쪽 전극이 전해질을 샌드위치처럼 감싼 구조로 돼 있다. 전압이 걸리면 양이온과 음이온이 상대 전극으로 움직이고, 두 이온 간의 크기와 밀도 차에 의해 변형이 생기면서 액추에이터가 움직인다. 또 디즈니 애니메이션 ‘빅 히어로’에 등장하는 소프트 로봇 베이맥스는 풍선처럼 공기압을 이용해 부풀리고 움직인다. 하지만 이 같은 공압식 소프트 액추에이터는 크고 무거운 데다 소모전력이 너무 커 현장에서 쓰기에 적합하지 않았다.

새로 개발한 인공 근육은 낮은 전압에서도 실시간에 가까운 빠른 반응속도(1초)로 높은 굽힘 변형률(1.37%)을 나타냈다. 또 1만8000 사이클 이상 장시간 운전에도 성능 변화가 없을 정도로 안정적이었다. 과학기술정보통신부·한국연구재단 리더연구자지원사업의 일환으로 수행된 이번 성과는 차세대 로봇 연구의 새로운 돌파구를 연 것으로 평가되고 있다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com


■ 용어설명

액추에이터(Actuator) : 전기 등 다양한 동력원으로 기계를 움직이는 구동장치. 메커트로닉스(mechatronics, 기계·전자공학의 융합) 분야에서는 전기모터, 유압·공기압 피스톤이나 실린더를 말한다. 최근 신소재 인공 근육과 초소형 액추에이터 개발이 활발하다.


맥신(MXene) : 천이(遷移)금속(transition metal) 탄소·질소 화합물로, 2차원 나노(nano·10억 분의 1) 신소재. 작은 원자가 한 겹으로 배열된 2차원 소재는 그래핀처럼 얇고 잘 휘면서 단단한 특성을 갖고 있어 반도체, 태양전지, 디스플레이 등에 응용할 수 있다.


굽힘 변형률 : 이온성 소프트 액추에이터는 전기가 가해지면 내부 이온의 이동으로 밀도 차이가 생기면서 구부러진다. 이때 구부러지는 정도를 변형률이라 한다.
e-mail 노성열 기자 / 경제산업부 / 부장 노성열 기자의 다른 기사보기
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