KAIST, ‘무게 대비 34배의 힘’ 인공근육 소자 개발

무게 대비 34배의 힘을 발휘할 수 있는 이온성 고분자 인공근육의 유체 스위치가 개발됐다. 유체 스위치는 유체 흐름을 제어해 특정 방향으로 유체가 흐르게 해 다양한 움직임이 가능하도록 한다.

오일권 교수(오른쪽 첫 번째) 등 연구팀 구성원들이 기념촬영을 하고 있다. KAIST 제공

KAIST는 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 초저전력에서 작동하며, 협소한 공간에서 사용할 수 있는 소프트 유체 스위치를 개발했다고 4일 밝혔다.

인공근육은 인간의 근육을 모방, 전통적 모터에 비해 유연하고 자연스러운 움직임을 제공한다. 이러한 특성으로 소프트 로봇, 의료기기, 웨어러블 장치 등에 기본 소자로 주로 사용된다.

다만 인공근육은 전기, 공기 압력, 온도 변화 등 외부 자극에 반응해 움직임을 만들어 내는 까닭에 인공근육을 활용하기 위해서는 이 움직임을 얼마나 정교하게 제어하는지가 중요하다.

또 기존 모터를 기반으로 한 스위치는 딱딱하고 부피가 커 제한된 공간 내에서 사용하는 데 제약이 따랐다.

이에 연구팀은 좁은 관 속에서도 큰 힘을 발휘하며, 유체 흐름을 제어할 수 있는 이온성 고분자 인공근육을 개발해 이를 소프트 유체 스위치로 활용할 수 있도록 했다.

연구팀이 개발한 이온성 고분자 인공근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 구성돼 있으며, 전기에 반응해 힘과 움직임을 발생시킨다.

초저전력(~0.01V)에서 구동하면서 무게 대비 큰 힘을 낼 수 있도록 인공근육 전극의 표면에 유기 분자를 결합해 만든 다공성의 공유결합성 유기 골격구조체 (pS-COF)를 활용하는 방식이다.

초저전압에서 연성 유체 스위치를 활용해 유체 방울을 분리하는 모습. KAIST 제공

이를 통해 연구팀은 머리카락처럼 얇은 두께(180㎛)의 인공근육이 무게(10mg) 대비 34배 이상의 힘을 내면서도 부드럽게 움직이고, 낮은 전력으로도 유체 흐름 방향을 정교하게 제어할 수 있게 하는 데 성공했다고 설명했다.

연구를 주도한 오일권 교수는 “초저전력으로 작동하는 전기화학적 연성 유체 스위치는 유체 제어를 기반으로 하는 소프트 로봇, 소프트 일렉트로닉스, 미세유체공학 분야에서 많은 가능성을 열어줄 수 있다”며 “이 기술은 스마트 섬유에서 생체 의료기기에 이르기까지 우리 일상에서 초소형 전자 시스템에 쉽게 적용돼 다양한 산업현장에서 즉시 활용할 수 있는 잠재력을 지녔다”고 강조했다.

KAIST 기계공학과 연구 교수인 만마싸 마하토 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 지난해 12월 13일 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴스드 (Science Advances)’에도 게재됐다.

정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr