▲ 인공근육 파이버 제작 과정과 구동원리.

국내 연구진이 합성섬유를 이용해 생체근육과 유사한 수축·이완·회전운동이 가능한 인공근육 구동기를 개발했다. 향후 절단환자용 의수·의족뿐만 아니라 착용형 기기나 인공지능 로봇 등에도 크게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 지난 10일 최혁렬 성균관대학교 교수 연구팀이 스판덱스섬유를 통해 감각기능을 갖춘 의수 구현에 필요한 고출력 경량의 인공근육으로 작동하는 생체근육형 구동기를 개발했다고 밝혔다.

인공근육 구동기는 인간의 움직임을 모사하는데 있어서 가장 핵심적인 요소 기술이지만 아직까지도 사용하기에 적절한 인공근육 구동기의 기술은 개발되지 않았다.

현존하는 구동기들은 97%이상이 0.1~1 kg 중량의 범위에서 감속기를 포함한 DC 모터들로 사용되고 이 모터들은 대체로 ~100W의 출력을 낼 수 있다. 하지만 약 300W/kg 의 비출력을 내는 포유류의 근육과 비교하면 턱없이 낮은 수준이며, 모터 고유의 거대한 부피, 부족한 유연성은 인종근육 구동기로 적합하지 않았다.

이에 연구진은 나일론과 여러 섬유를 혼합해 만든 스판덱스(Spandex) 섬유를 직조해 다양한 형태의 인공근육 구동기를 개발했다.

연구진은 스판덱스 섬유를 트위스팅 장비를 통해 트위스팅한다음, 나선방향으로 배열된 신축성 섬유에 코일이 생기면 이를 2차로 다시 코일한다. 코일이 모두 완성되면 열처리를 통해서 신축성 섬유에 유연함을 더한다.

이렇게 만들어진 인공섬유는 기존 모터형에 비해 높은 힘을 낼 수 있으며 우수한 강도와 인성(靷性)을 갖춘 근골격으로 움직임이 훨씬 자유롭다는 장점을 가진다.

연구진은 이과정을 통해 인공근육 파이버를 쉽게 제작할 수 있는 최적의 공정기술, 장치를 개발했으며 섬유로 제작된 인공근육 구동기를 실제 근육과 같이 다발형태로 묶는 기술과 옷감과 같은 직물 형태로 제작 하는 기술 또한 개발했다.

개발된 인공근육 구동기는 유연하면서도 우수한 구동성능( <35%이상 구동)으로 세계 최고 수준이다. 경량의 신축성 섬유로 제작돼 모듈화 혹은 직물로 직조가 가능해 절단환자용 의지(의족, 의수)는 물론, 착용형 로봇, 차세대 의류에도 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구진은 “이 기술을 통해 제작된 다발형태의 근육을 팔, 골격 모형에 적용해 사람의 움직임을 모사할 수 있음을 확인했다” 며 “개발된 인공근육 구동기는 전극물질이나 열선을 활용해 전기 구동이 가능하기 때문에 기존의 전자회로로 쉽게 제어가 가능하다”고 밝혔다.

한편, 해당 연구는 과기정통부의 바이오닉암 메카트로닉스융합기술개발사업의 지원으로 2014년부터 수행하고 있다. 이번 연구를 통해 3건의 국내특허를 출원했고, 2건의 논문을 SCI 저널에 게재했다.

과기정통부는 이번 성과로 2019년을 목표로 하고 있는 인공피부, 피부형 촉감 감지기(센서) 등 요소기술 융합으로 감각기능을 갖춘 바이오닉 손팔 개발에 한 발짝 더 다가서게 됐다고 밝혔다.