[지금은 과학] 변형률↑, 소음·진동·전력↓…생체소재 인공 근육 나온다

[아이뉴스24 정종오 기자] 자유롭게 변형할 수 있는 능력은 뛰어난데 소음과 진동, 전력소비량은 적은 생체소재 기반의 인공 근육이 나올 것으로 기대된다.

국제 공동연구팀은 12일 생체소재 기반 인공 근육 성능의 한계를 돌파하는 실마리를 찾았다고 발표했다.

변형량은 0.93%로 기존 최고 변형량(0.28%)의 3.3배를 넘어섰다. 반응속도는 4초로 기존 최고 반응속도(30초)의 7.5배에 달했다. 반면 구동 전압은 0.5V로 기존 최고 구동 전압(1.0V)보다 0.5배 낮았다.

한국마이크로의료로봇연구원(원장 박종오), 전남대 최은표 교수 연구팀과 중국 절강이공대학(Zhejiang Sci-Tech U.) 연구팀은 공동연구를 통해 매우 낮은 전압에서 세계 최고의 변형률을 갖는 생체소재 기반 인공 근육을 개발했다.

이번 성과는 소프트 로봇(soft robotics) 분야의 핵심기술로 평가받고 있다. 기존의 생체소재 기반 인공 근육 기술의 ‘높은 구동 전압과 낮은 반응속도’ 문제를 해결할 수 있는 원천기술로 눈길을 끈다.

소프트 로봇은 문어, 물고기 혹은 미생물 등 유연한 동물의 움직임을 모방해 유연하게 자유자재로 형태가 변하는 특징을 일컫는다. 의료, 재활, 웨어러블 로봇 등의 분야에서 전통적 금속 로봇의 결점을 극복할 것으로 기대하고 있다.

연구자들은 소프트 로봇을 구동하기 위해 저소음, 저진동, 낮은 전력소비량 등의 특성을 갖는 이온성 소프트 액추에이터 개발에 주목하고 있다. 웨어러블과 인체 내 삽입이 가능한 의료용 소프트 로봇 개발을 위해 인체 친화적 생체소재를 기반으로 하는 소프트 액추에이터, 이른바 인공 근육 개발에 박차를 가하고 있다.

이제까지 생체소재를 기반으로 한 이온성 소프트 액추에이터는 매우 낮은 변형률과 반응속도, 짧은 수명으로 소프트 로봇에 응용하는 데 있어 어려움이 많았다.

이에 연구팀은 생분해·생적합성 소재인 박테리아 셀룰로스 기반의 소프트 액추에이터에 전도성 고분자인 폴리피롤(Polypyrrole)을 코팅해 최고 수준의 변형률과 반응속도를 갖는 이온성 소프트 액추에이터를 개발했다.

박테리아 셀룰로스는 박테리아 세포벽의 중요성분을 구성하는 섬유소이며 생체적합성이 우수해 인공장기와 같은 생체재료 활용이 기대되는 소재이다. 3차원 나노 망 구조로 표면적이 크며 고강도 고탄력 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있다.

박테리아 셀룰로스 자체만으로도 이온성 소프트 액추에이터로 개발되고 있는데 낮은 전도성으로 구동 효율이 매우 낮은 단점이 있다. 여기에 높은 전도성을 갖는 폴리피롤(Polypyrrole) 나노입자를 코팅하고 추가로 부드럽고 유연한 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’를 코팅해 유연 전극으로 활용했다. 그 결과 낮은 구동 전압(0.5V)일 때 높은 변형률(0.93%)과 빠른 반응속도(4초)를 얻었다.

연구 성과(논문명 : Ultralow Voltage High‐Performance Bioartificial Muscles Based on Ionically Crosslinked Polypyrrole‐Coated Functional Carboxylated Bacterial Cellulose for Soft Robots)는 소재 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 3월 24일 자 표지 논문으로 선정됐다.

이번 연구를 주도한 최은표 교수는 “이번 기술은 의료용 수술 로봇, 헬스케어용 웨어러블 장치 등 다양한 분야에서 핵심원천기술로 활용될 것으로 기대된다”며 “실용화를 위해서는 높은 변형률뿐 아니라 큰 힘을 낼 수 있는 연구도 계속 진행돼야 한다”고 말했다.