▲ 자성 복합 인공근육 및 소재 모식도(출처: 한국연구재단)

국내 연구진이 고무처럼 8배 이상 늘어나면서 자동차의 하중도 견딜 수 있는 강하고 부드러운 소프트 인공근육을 개발해 다양한 분야에서 혁신적 응용이 가능할 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 UNIST 정훈의 교수 연구팀이 기존 형상 기억 고분자에 강자성 입자를 결합해 강성 변화율을 최대 2,700배 확대한 새로운 자성 복합 인공근육을 개발했다고 15일 밝혔다.

사람 근육처럼 부드럽게 움직이는 소프트 인공근육은 로봇, 웨어러블 장치, 생체의료기기 등 다양한 응용 분야에서 핵심적인 기술로 주목받고 있다. 기존에는 부드러운 고분자 소재로 제작되어 복잡한 제어 없이 유연한 동작이 가능하지만, 낮은 강성으로 인해 무거운 물체를 들기 힘들고 불필요한 진동 때문에 정밀 제어가 어렵다.

이를 해결하기 위해 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 강성을 변화시킬 수 있는 가변 강성 소재가 쓰이고 있지만 여전히 강성 조절 범위가 제한적이며 기계적 성능이 부족한 한계가 있다.

연구팀은 기존 가변 강성 소재인 형상 기억 고분자에, 자성을 띠면서도 강한 힘을 만들 수 있는 강자성 입자를 결합해 하중 지지력과 신축성을 크게 높인 소프트 자성 복합 인공근육을 개발했다. 특수 표면 처리한 강자성 입자는 형상 기억 고분자와 물리적 얽힘을 형성해 복합재의 기계적 물성을 향상시킬 뿐만 아니라 외부 자기장에 대한 빠르고 효율적인 반응을 가능하게 한다.

이렇게 개발된 인공근육은 최대 2,700배까지 강성을 변화시킬 수 있으며, 부드러운 상태에서는 8배 이상 늘어나고 딱딱한 상태에서 하중지지 능력은 자기 무게 대비 최대 1,000배의 인장 응력과 3,690배의 압축 응력을 견딜 만큼 단단하다.

움직임을 제어하는 액추에이터로서의 작동 성능 측면에서도 에너지 효율 90.9% 등 우수한 성능을 보였다. 연구팀은 기존 소프트 액추에이터에서 발생하는 불필요한 진동을 줄이기 위해 하이드로젤층을 덧붙인 이중층 구조로 제작, 빠른 작동 중에도 소프트 인공 근육을 정밀하게 제어할 수 있도록 했다.

정훈의 교수는 “기존 인공근육의 한계를 극복한 우수한 기계적 특성과 구동 성능을 바탕으로 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다”며 “다중 자극 방식인 레이저 가열과 자기장 제어를 통해 신장, 수축, 굽힘, 비틀림과 같은 기본적인 동작부터 물건을 집어 원하는 위치에 놓는 복잡한 동작까지 원격으로 구현할 수 있다”고 설명했다.