“나비처럼 부드럽게” … 소프트 로봇용 인공근육 개발
“나비처럼 부드럽게” … 소프트 로봇용 인공근육 개발
오일권 교수 “능동형 생체의료 디바이스 등 의료 분야 적용 기대”
  • 박정식 기자
  • 승인 2019.08.22 03:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식 기자] 나비가 날개짓 하듯 부드럽게 움직일 수 있는 로봇용 인공근육이 개발되면서 헬스케어 전자기기, 능동형 생체의료 디바이스 등 의료 분야에 적용이 가능해질 전망이다.

20일 한국연구재단에 따르면 카이스트(KAIST) 오일권 교수 연구팀이 금속처럼 전기가 잘 흐르고 표면의 기능성을 제어할 수 있는 차세대 나노물질과 맥신을 전극소재로 활용, 최고 수준의 굽힘 변형률을 갖는 인공근육(소프트 액츄에이터)을 개발했다.

그동안 공기압을 이용해 부풀리고 움직임을 유도하는 공압식 소프트 엑츄에이터를 근육에 적용하려는 연구가 활발했다. 그러나 크고 무거울 뿐 아니라 전력소모가 크다는 단점을 가지고 있다.

이를 해결하고자 이온성 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 새로이 주목받고 있다. 공압식 소프트 엑츄에이터와 달리 낮은 전압과 전력으로 구동이되며 생물체가 움직이는 것과 같이 부드러운 형상변형이 가능하기 때문이다.

하지만 이온성 소프트 엑츄에이터를 적용한 인공근육은 구동수명이 짧고 안정성이 낮으며, 변형률이 작아 실제 공학적으로 응용하기에는 어려움이 있었다.

 

맥신(MXene) 기반 소프트 액츄에이터의 메커니즘 및 맥신 구성도. (자료=카이스트)
맥신(MXene) 기반 소프트 액츄에이터의 메커니즘 및 맥신 구성도. (자료=카이스트)

연구팀은 나노물질과 맥신을 전도성 고분자에 결합시켰다. 그 결과 유연전극을 제작해 1V에 못 미치는 낮은 전압으로도 180도 정도로 굽혀지는 인공근육을 개발했다.

개발된 인공근육은 낮은 전압에서도 매우 빠르게(반응속도 1초) 반응하고 높은 굽힘 변형률(1.37%)이 나타났다. 1만8000 사이클 이상의 장시간 운전에도 성능의 변화가 거의 없이 안정적으로 작동했다.

오일권 교수는 “기존 인공 근육의 낮은 굽힘 변형률 및 짧은 구동 수명으로 인한 한계를 극복했다”며 “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 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신·한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구지원) 등의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 로봇 분야 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’(Science Robotics) 8월22일자에 게재됐다.

 

사이언스 로보틱스 2019년 8월호 커버 이미지로 선정됐다. (자료=카이스트)
사이언스 로보틱스 2019년 8월호 커버 이미지로 선정됐다. (자료=카이스트)

아래는 카이스트 오일권 교수와의 미니 인터뷰.

■ 연구를 시작한 계기나 배경은?

지난 수 십 년 동안 생체모방 기술 분야에서 전기반응 고분자 작동기(Electro-Active Polymer, EAP)는 소프트 로봇, 착용 가능한 터치-피드백 시스템, 웨어러블 로봇, 신축성 있고 유연한 전자장치 및 마이크로 전자기계시스템에 사용하기 위해 큰 관심을 받아 왔습니다. 지난 수 십 년 동안 전기반응 세라믹(EAC) 액츄에이터, 형상기억합금(SMA), 유전공중합탄성체 액츄에이터, 전도성 중합체 및 이온성 고분자 액츄에이터가 성공적으로 개발됐습니다.

일반적으로 이러한 액츄에이터 중에서 유전공중합탄성체(Dielectric Elastomer, DE) 액츄에이터는 매우 큰 평면 변형률(최대 ε_xx=~300%)을 보였지만, 일반적으로 높은 구동 전압(일반적으로 ~1kV)과 높은 전기장(약150MV/m)이 요구되어 경우에 따라 응용에 한계가 있었습니다.

이러한 전기반응 고분자 작동기 액츄에이터 중 이온성 고분자-금속 복합체(Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC) 액츄에이터는 저전압(< 5V)에서 움직이고 낮은 전기 에너지에서 큰 기계적 운동 에너지를 생산할 수 있는 새롭고 유망한 기술로 인정받고 있습니다.

그러나 수중이나 습한 환경에서만 움직이고, 느린 응답을 가지며, 매우 낮고 좁은 주파수 작동범위 (일반적으로 <10 Hz) 및 불충분한 기계적 출력능력으로 인해 공학적 응용에 한계가 있었습니다.

본 연구팀은 공기 중에서 작동할 수 있는 이온성 소프트 액츄에이터를 개발하는 데 집중하여 왔고 성능을 고도화하기 위해서 다양한 전극소재를 이용하여 성능을 평가했습니다. 순수 금속은 전도성은 뛰어나지만 전하의 저장용량과 산화로 인해 성능 안정성에 문제가 있었습니다. 하지만 본 연구에서는 맥신(MXene) 전극이 다소 유연한 기계적 특성을 보이면서도 높은 전도성과 우수한 전하저장 캐패시턴스 가진다는 것을 밝혀냈고 이를 활용해 고성능의 이온성 소프트 액츄에이터를 개발했습니다.

 

■ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구팀은 15년 동안 전기활성 인공근육 개발에 주력해 왔으며, 이온성 소프트 액츄에이터의 공정 개발에 대해 많은 논문을 발표하여 왔습니다. 이온성 고분자막의 양쪽에 대칭 전극 재료를 붙여서 만들게 되는데 이런 전극재료는 전기 전도성이 우수하고 기계적 강도가 우수해야 합니다.

기존에는 탄소나노튜브, 그래핀, 다공성 탄소전극들을 이용하여 액츄에이터를 개발하여 왔으나 맥신(MXene)을 이용한 액츄에이터는 매우 낮은 전압에서도 기대 이상의 성능을 보여주었습니다. 본 연구에서는 흥미롭게도, 맥신(MXene) 기반 액츄에이터의 높은 성능은 매우 독특한 층 구조의 맥신(MXene)과 전도성 고분자인 PEDOT:PSS의 이온결합에 의해 기인한 것을 알게 되었습니다.

 

■ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

학문적 의의에 더하여, 본 연구에서 개발된 소프트 액츄에이터는 소프트 로봇, 웨어러블 로봇과 그리고 움직이는 예술소품 등에 적용이 가능합니다. 향후에는 보유한 원천기술을 토대로 전자미술·토이컴퍼니로 기술을 이전해 상용화 및 추가적인 공동연구를 추진할 계획입니다.

 

■ 연구 진행 중 어려움은 무엇이었나?

이온성 소프트 액츄에이터를 개발하는 데 가장 큰 어려움은 이온성 고분자와 전극 사이의 약한 접착력입니다. 이 문제를 해결하기 위해 주물 공정과 열압착 방식 등 다양한 공정을 시도했지만 적절하지 않았습니다. 처음에는 절단 단계에서 전극이 분리되는 여러 번의 실패를 거듭했습니다. 저희 연구팀은 맥신(MXene)과 PEDOT:PSS를 단순 혼합함으로써 매우 쉽게 소프트한 전극을 개발하였으며 이런 전극은 이온성 고분자와 매우 좋은 접합력을 보여주었습니다.


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