▲ 전통 한국 단청 문양에서 영감을 받은 이중안정 키리가미 단위세포의 설계 및 변형 메커니즘

국내 연구진이 한국 전통 단청의 기하학적 무늬에서 착안한 구조를 3D프린팅으로 제작하고, 열을 가하면 사전에 설계된 순서대로 형태가 변하는 4D프린팅 기술을 개발해 소프트 로봇 등 활용 가능성을 제시했다.

서울과학기술대학교(총장 김동환)는 기계시스템공학부 지능형로봇전공 박근 교수 연구팀이 한국 전통무늬에서 영감을 받은 4D프린팅 메타물질을 개발하고, 이를 다양한 소프트 로봇 메커니즘에 적용하는 데 성공했다고 지난 10일 밝혔다.

연구팀은 전통 단청 무늬의 기하학적 패턴을 활용해 이종재료 기반의 키리가미(Kirigami) 메타구조를 개발했다. 키리가미는 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.

연구팀은 특히 구조 설계변수의 최적화를 통해 쌍안정 변형 특성과 열유도 형상복원 거동을 정밀하게 제어하고, 여러 구조를 조합하여 다중안정 변형과 순차적 4D 형상변화를 프로그래밍할 수 있는 설계 기법을 확립했다.

또한 개발된 4D 키리가미 메타구조를 활용해 MEX(소재압출) 방식의 3D프린터와 PLA, TPU 소재로 멀티모달 Bridging 메커니즘, 내측·외측 파지가 모두 가능한 소프트 그리퍼, 수중에서 크기를 변화시키며 쓰레기를 수거하는 생체 모방 로봇을 실제 제작함으로써 다양한 소프트 로봇 메커니즘으로서의 활용 가능성을 입증했다.

제1저자로 참여한 김의현 연구원은 “키리가미는 일본의 종이자르기 문화에서 유래한 구조로, 최근에는 음의 푸아송비를 나타내는 오그제틱(Auxetic) 변형과 쌍안정성을 구현하는 메타구조로 주목받고 있다”며 “이번 연구는 한국 전통 단청 무늬에서 착안한 새로운 키리가미 구조를 개발하고, 능동·수동 재료의 조합을 통해 다중안정 변형과 열유도 4D 형상복원을 구현했다는 점에서 의미가 있다”고 밝혔다.

교신저자로 참여한 박근 교수는 “우리나라의 전통 단청 무늬에서 영감을 받은 연구 성과가 세계적 학술지의 표지를 장식한 점에 대해 대한민국 연구자로서 큰 자부심을 느낀다”며 “현재 관련 기술에 대해 2건의 특허출원을 완료했으며, 다수의 해외 연구자들로부터 공동 연구를 제안받고 있어 향후 다양한 메타구조 및 소프트 로봇 메커니즘으로 연구를 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 국제 저명 학술지인 Advanced Science에 게재됐으며, 연구의 탁월성을 인정받아 2026년 11월9일 발행된 제13권 제62호의 표지논문(Front Cover)으로 선정됐다. 논문에는 서울과학기술대 기계설계로봇공학과 김의현 연구원(석사과정)이 제1저자로 참여했으며, 같은 학과 김민성 연구원과 화공생명공학과 윤현식 교수가 공동저자로 참여했다.