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이웃집과학자

"나비처럼 부드럽게" 로봇 인공 근육 진화

By 이웃집과학자

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안녕~ 놀라운 일이 일어날 거야.

최근 로봇공학 기술은 인간과 로봇이 직접 상호 작용할 수 있는 안전한 로봇을 개발하는 추세를 띱니다. 인간과 로봇이 물리적으로 충돌해도 인간이 다치지 않는 부드러운 재질로 제작된 로봇을 '소프트 로봇(soft robot)'이라고 부르는데요. 폴리머(polymer)나 고무처럼 부드럽고 신축성 있는 소재를 활용해 자유롭게 변형할 수 있는 것은 소프트 로봇만이 가진 특징이죠.

디즈니 애니메이션 <빅 히어로>의 주인공 베이맥스처럼 공기압을 이용해 부풀리고 움직임을 유도하는 공압식 소프트 액츄에이터를 실제 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 이런 액츄에이터는 크고 무거워 소모전력이 크다는 단점이 있습니다. 때문에 낮은 전압과 전력으로 구동되고 생물체가 움직이는 것과 같이 부드러운 형상 변형이 가능한 이온성 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 새로이 주목받고 있습니다. 하지만 기존 이온성 소프트 액츄에이터를 적용한 인공 근육은 구동수명이 짧고 안정성이 아직 낮은데다 변형률이 작아 실제 공학적으로 응용하기에 어려움이 있었습니다.

Science에 게재된 로봇 커버 이미지.

출처한국연구재단

이런 가운데 한국연구재단은 카이스트 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 나비가 날개짓 하듯 부드럽게 움직일 수 있는 소프트 로봇용 인공 근육을 개발했다고 밝혔습니다. <Science Robotics>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 금속처럼 전기가 잘 흐르고 표면의 기능성을 제어할 수 있는 차세대 나노물질, 맥신을 전극소재로 활용해 최고 수준의 굽힘 변형률을 갖는 인공 근육(소프트 액츄에이터)을 개발했다고 합니다. 

맥신 기반 소프트 액츄에이터

맥신(MXene) 기반 소프트 액츄에이터의 메커니즘 및 맥신(MXene) 구성도.

출처한국연구재단

연구팀은 맥신(MXene)을 사용해 이온성 소프트 액츄에이터를 위한 부드러우면서도 자유롭게 늘어나는 새로운 유형의 전극을 설계했습니다. 맥신은 2차원 나노소재에서 금속·탄소·산소 기능기 등을 가지고 있는 무기 화합물의 한 종류입니다. HF 식각을 통해 준비된 합성 맥신은 아코디언 같은 형태를 띱니다. Ti3C2Tx MXene은 본 연구에서 처음으로 이온성 인공 근육에 적용됐습니다.


탄소나노튜브나 그래핀 기반의 탄소전극들은 소수성(hydrophobic) 특성을 나타내는데요. 때문에 전도성 고분자 소재들과 적합성이 떨어지는 단점이 있습니다. 그런데 맥신(MXene)은 표면의 산소 기반 기능성 그룹들(oxygen functional groups)로 인해 친수성을 가지고 있어요. 그래서 PEDOT:PSS라고 하는 전도성 고분자 소재와 아주 잘 결합할 수 있습니다. 또한 맥신(MXene)의 2차원 구조는 PEDOT:PSS와 이온이 교차가교가 이루어져 이온성 소프트 액츄에이터 전극으로 매우 적합하죠.

맥신(MXene) 기반 액츄에이터는 매우 낮은 입력 전압(0.1 ~ 1V)에서 매우 큰 굽힘 변형이 발생하고 18,000 사이클 이상까지의 장시간 작동 안정성을 보여줬습니다. MXene 전극 기반 액츄에이터는 1V의 사인파 입력 전압에서 1.37%의 높은 굽힘 변형률과 직류 입력 신호에서 위상 지연 없이 1초 이내에 초고속 작동 응답을 보였습니다.


어디에 활용할 수 있을까

수선화 꽃이 피는 과정과 나무 위에 앉은 나비들의 날개짓을 개발한 소프트 액츄에이터로 시연한 모습.

출처한국연구재단

이 뛰어난 인공 근육은 종이접기에서 영감을 받아 나르시스 꽃, 나비의 날개짓, 그리고 춤추는 나뭇잎 등의 몇 가지의 카이네틱 예술 소품들로 제작되어 다양한 동적 움직임을 시연하는 데 활용됐습니다. 본 연구는 카이네틱 예술 소품(kinetic art pieces)라고 하는 새로운 응용 분야를 발굴했다는 측면에서 매우 큰 의미를 갖습니다.  


개발된 MXene 기반 소프트 전극기술은 이온성으로 교차가교된 새로운 개념이 적용됐습니다. 새로운 소재로서 원천기술 잠재력도 지니고 있습니다. 이런 MXene 전극은 향후 유연전극, 소프트센서, 웨어러블 디바이스, 그리고 에너지 하베스팅 전극 등에서도 응용이 가능할 것으로 판단됩니다.


특히 본 연구에서 개발된 소프트 구동기·로봇 기술들은 인간의 오감증강기술, 인간의 운동능력의 한계 극복, 동적 예술 소품, 능동형 생체의료 디바이스 등에 다양한 응용이 가능할 것으로 기대됩니다.

오일권 교수.

출처한국연구재단

오일권 카이스트 교수는 "기존 인공 근육의 낮은 굽힘 변형률 및 짧은 구동 수명으로 인한 한계를 극복함으로서 특히 부드러운 움직임이 많이 요구되는 소프트 로봇, 자연모사 로봇, 웨어러블 플렛폼, 헬스케어 전자기기, 능동형 생체의료 디바이스, 움직이는 예술소품 분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔습니다.


##참고자료## 

  • MXene Artificial Muscles Based on Ionically Cross-linked Ti3C2Tx Electrode for Kinetic Soft Robotics.(2019).

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