구동 속도 빨라진 형상기억합금 인공근육
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구동 속도 빨라진 형상기억합금 인공근육
  • 이현건 기자
  • 승인 2022.05.29 22:59
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- 인공근육으로 의수를 만들고 고양이 발톱을 모사하다

 

            한국과학기술원 오일권 교수(좌), 제1저자 오세웅 박사과정(우)

국내 연구진이 기존 구동 속도 대비 2배 이상 빨라진 스프링 형태의 형상기억합금* 구동기를 이용해 사람과 동물의 골격근처럼 힘을 낼 수 있는 ‘형상기억합금 인공근육’을 개발했다. 형상기억합금은 임의로 모양으로 변형시키더라도 가열에 의하여 다시 변형 전 기억된  모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말한다.

한국연구재단은 오일권 교수 연구팀(한국과학기술원, 제1저자 오세웅 박사과정)이 인공 근육을 활용한 착용형 의수와 고양이의 독특한 발톱 구조에서 착안한 생체모방 로보틱스를 개발했다고 밝혔다.

온도가 올라감에 따라 미리 기억된 형태로 수축하고 뒤따르는 냉각에 의해 이완되며 움직임을 발생시키는 형상기억합금 스프링(스프링 모양으로 제작된 형상기억합금)은 인공 근육으로써 응용하기 위해 많은 연구가 수행되었다. 하지만 기존의 형상기억합금은 가열에 비해 현저히 느린 냉각 속도로 인해 인공근육으로 사용 시 구동 속도에 제한을 보였으며, 이로 인해 일정 속도로 반복 구동이 요구되는 응용 분야에서의 활용은 한계가 있었다.

이에 연구팀은 일반 전자부품이나 칩 등의 온도를 빠르게 낮추기 위해 표면에 뾰족한 방열판을 부착하는 것에서 착안, 스프링 형태의 형상기억합금 표면에 뾰족한 구리 나노와이어(수십~수백 나노미터(nm) 단위의 지름을 갖는 얇은 선 혹은 기둥)를 균일하게 성장시켰다.

이를 통해 형상기억합금의 표면적을 높이고, 열이 외부로 전달되는 것을 촉진시킴으로써 형상기억합금의 냉각을 가속하는데 성공했으며, 특히, 연구팀이 개발한 인공근육은 일반 형상기억합금에 비해 2배 이상 가속된 구동 속도를 보이며 인공근육을 이용해 실제 손과 비슷한 속도로 손가락을 굽히고 펼 수 있는 의수를 개발하였다.

(그림1) 구리 나노와이어가 표면 성장된 형상기억합금 인공근육 
(a) 형상기억합금 인공근육의 표면에 구리 나노와이어를 성장시키는 과정을 나타내는 그림으로, 먼저 형상기억합금에 구리를 전기 도금으로 전착시킨다. 전기도금 기법은 형상기억합금과 구리 전착층이 견고한 결합을 갖도록 해준다. 이후 구리 전착층을 기반층(seed-layer)로 하여 구리 나노와이어를 성장시킨다. 형상기억합금과 견고히 결합된 구리 전착층을 기반으로 구리 나노와이어를 성장시켰기 때문에 인공근육으로 사용 시 반복적인 움직임에도 성장된 구리 나노와이어가 떨어져나가지 않고 안정적으로 구조를 유지할 수 있게 된다. 
(b) 구리 나노와이어가 표면 성장된 형상기억합금이 사람과 동물의 골격근을 이루는 근섬유와 유사함을 나타내는 그림
그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 오일권 교수
(copyright permission from Advanced Functional Materials)
(그림2) 구리 나노와이어가 표면 성장된 형상기억합금 인공근육이 적용된 의수 및 생체모방 로보틱스      (a) 카메라가 인식한 손의 움직임을 컴퓨터가 인식하여 의수의 인공근육을 제어해 사람 손이 수행하는 수화를 의수가 따라하게 되는 것을 보여주는 그림
(b) 인공근육이 발생하는 힘의 세기를 제어해 조심스럽게 달걀을 집고, 음료가 담긴 캔을 집어 드는 모습
(c) 의수를 착용한 마네킹으로 피아노를 연주하는 모습
(d) 고양이가 필요에 따라 발톱을 드러내고 감추며 지면과의 마찰을 제어하는 모습
(e) 이에 착안해 개발한 생체모방 개폐식 발톱
(f) 생체모방 개폐식 발톱이 굴근(flexor)과 신근(extensor) 제어로 움직이는 모습  
그림설명 및 그림제공: 한국과학기술원 오일권 교수
(copyright permission from Advanced Functional Materials)  

또한, 연구팀은 개발된 인공근육이 동물의 골격근과도 유사하다는 점에 집중하여 구동 속도가 빨라진 인공근육을 생체모방 로보틱스(로봇을 구성하는 요소 혹은 관련 응용 기술)로 응용하였다. 

고양이가 필요에 따라 개폐식 발톱(retractable claw)을 드러내고 감추며 지면과의 마찰을 제어하는 특징에 주목하여 생체모방 개폐식 발톱을 구현한 것으로, 기존 보행 로봇 발바닥에 부착된 단순 고무를 대체해, 울퉁불퉁한 길과 같은 험지를 걸을 때 발톱을 이용하여 보행 로봇이 중심을 잡고 안정적인 보행을 할 수 있도록 도움을 줄 것으로 기대한다. 

이번 연구는 실제 근육의 움직임과 유사한 속도로 인공근육이 움직이도록 하여 미래 로봇, 착용형 근육, 휴먼 증강 슈트, 보조 로봇 등 다양한 분야에서 인공근육이 적용될 수 있는 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구지원사업(창의연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 5월 2일 게재되었으며, 표지 논문으로 선정되었다. 

 

 연구의 우수성을 인정받아‘Advanced Functional Materials’에 5월 2일 게재된 학술지의 내부 표지 논문으로 선정. 
그림설명 및 그림제공: 한국과학기술원 오일권 교수
(copyright permission from Advanced Functional Materials)

 


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