빛으로 움직이는 물 속 소프트 로봇 인공 근육 구현...구동 성능 '2배'

국내 연구진이 물속에서 자유롭게 작동하는 광화학 기반 소프트 로봇용 인공 근육을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 소속 김현 박사와 이하범 부산대 교수, 테일러 H. 웨어 미국 텍사스 A&M대 교수 공동 연구팀이 빛으로 움직이는 결정성 액정 탄성체 기반 수중 로봇용 인공 근육을 개발했다고 4일 밝혔다.

기존 소프트 로봇용 동력 장치는 전기·공압·유압·열 등으로 구동되는데 배터리, 모터, 기어 등 복잡한 부품이 물에 노출되면 작동 제어가 어려워 물속 사용이 어려웠다. 이에 빛으로 변형을 유도하는 광열, 광화학 소재가 주목받았다.

다만 광열 소재는 빛·열에 노출돼 형태가 변형되도 물에서는 냉각돼 원래대로 돌아가 원하는 동작을 유지하기 힘들었다. 또 기존 광화학 소재는 분자구조 변형이 표면에 국한돼 굽힘 동작만 가능하다.

수중 환경에서 소프트 로봇이 생물체와 같은 강력한 구동력을 얻으려면 섬유, 코일, 스프링 형태 등 꼬인 선형 형상으로 수축·이완을 반복할 수 있는 인공 근육 구조 구현이 필요했다.

연구팀은 '아조벤젠 기능화된 결정성 액정 탄성체(AC-LCE)' 소재를 활용해 물 속에서 더 많은 형태 변형과 강력한 운동 능력을 구현했다.

액정 탄성체는 소재 안 분자 배열을 정밀 설계할 수 있어, 작은 자극으로도 크게 움직일 수 있다. 반면 고무줄처럼 말랑말랑해 물체를 움직이는 힘이 비교적 약하고 강성도 부족해, 스프링 구조 형태로는 활용이 힘들었다.

연구팀은 강성이 조절되는 새로운 액정 고무 소재를 만들고 여기에 광화학 분자 '아조벤젠'을 넣어, 빛을 받으면 움직이도록 만들었다.

기존 광열 소재와 달리 이번 AC-LCE 소재는 빛을 꺼도 바로 원래대로 돌아가지 않고 일정 시간 수축·이완 상태를 고정할 수 있다. 이런 '구동 자물쇠'를 인공 근육 부위별로 적용하자 원하는 동작 순서와 위치를 조절할 수 있었다.

연구팀은 스프링 형태 AC-LCE 인공 근육 소재를 선형 및 고리형으로 제작해 로봇 부품처럼 조립, 성능을 실험했다. 그 결과 기존 광화학 기반 인공 근육 소재보다 늘어나거나 줄어드는 길이는 3배 이상, 움직이는 힘은 포유류 일반 근육보다 2배 이상 강했다.

또 AC-LCE 소재는 수중 환경에서 자외선·가시광선을 비추며 수축·이완을 원격 조절, 소프트 로봇 몸통에 동력을 제공해 물속을 이동하거나, 로봇 손이 물체를 쥐거나 놓도록 하는 모습을 보여줬다. 배터리, 기계장치, 와이어, 펌프 등 연결 없이 빛 만으로 100회 이상 반복 조작할 수 있었다.

2030년 이후 실용화가 목표다. 이번 논문은 지난 2월 '스몰'에 후면 표지 논문으로 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com