▲ 다양한 모양 변형을 가진 다중 안정성 팽창 시편의 단계적 변형: (a) 균일한 팽창, (b)가늘어지는(tapered) 팽창, (c) 곡선형 팽창

국내 연구진이 인공지능(AI)과 3D프린팅 기술을 통해 다중 안정성 및 형상 변형이 모두 가능한 메타물질을 개발함으로써 고기능 웨어러블 디바이스 등에 적용이 기대된다.

서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 박근 교수 연구팀은 인공지능(기계학습)을 적용하여 키리가미(Kirigami) 메타구조에 다중 안정성(Multi-stability)을 부여하면서도 원하는 형상으로 변형할 수 있도록 최적화하는 설계 기법을 개발하고, 3D프린팅을 통해 실험적으로 검증했다고 5일 밝혔다.

키리가미(Kirigami)는 종이접기(Origami)에서 발전된 개념으로, 접기뿐만 아니라 평면 물체의 선을 따라 자르기를 허용해 패턴 및 구조물을 만드는 기술이다. 일상에서는 팝업북, 입체 카드 등에서 볼 수 있다.

박근 교수 연구팀은 키리가미 메타구조의 다중 안정성 및 형상 변형 기능을 모두 달성하기 위해 키리가미 기반 오세틱 메타물질(Auxetic metamaterials)에 대한 설계 최적화 방법론을 제안했다. 오세틱 메타물질은 음의 푸아송 비(negative Poisson's ratio)를 갖는 메타물질로 일반적인 소재와 달리 한 방향으로 늘리면 다른 방향으로 압축이 발생한다. 때문에 기존 소재 대비 에너지를 더 효과적으로 흡수할 수 있어 방탄복, 헬멧, 의료용 임플란트 등에 사용된다.

연구팀은 AI를 활용해 개별 키리카미 셀에 서로 다른 임계력과 맞춤형 확장 비율을 할당함으로써 메타물질이 미리 정해진 모양 변형 순서를 따르도록 프로그래밍했다. 이를 통해 다중 안정성과 형상 변형을 모두 효과적으로 제어함으로써 모양 변형이 가능한 다중 안정 오세틱 구조를 생성했다.

이번 연구결과를 통해 키리가미 기반 메타물질의 형상 변형이 가능해져 웨어러블 장치, 에너지 흡수 등 다양한 엔지니어링 분야에 적용돼 기능성이 향상될 것으로 기대되고 있다.

한편 이번 논문 제목은 ‘Design optimisation of kirigami-based auxetic metamaterials with multistability and shape-morphing capability’ 이며 Manufacturing 분야 최상위 학술지인 Virtual & Physical Prototyping(IF 10.2, JCR 7.3%) 2025년 1월호에 게재됐다.

논문은 서울과기대 기계시스템디자인공학과 4학년 김의현 학생이 제 1저자로 참여했으며, 학부생의 졸업연구에서 도출된 성과가 최상위급 SCI 저널에 게재된 점에서 주목할 만하다. 김의현 학생은 이후 동 대학원 기계설계로봇공학과에 석사과정으로 입학해 관련 분야의 연구를 심화시켜 웨어러블 디바이스 개발에 응용할 계획이다.

▲ 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 박근 교수(左)와 김의현 학생