▲ 자성 복합 인공근육 및 소재 모식도 / 가. 자성 복합 근육의 개념을 나타내는 일러스트와 다기능적 특성. 나. 자성 복합 근육의 화학적 구조 설명. 단상 복합재는 형상 기억 고분자와 강자성 입자가 결합된 이중 네트워크 구조로 이루어졌으며, 여기에 하이드로젤이 혼합되면 이상 복합재가 된다. 이상 복합재의 경우 에너지 소산을 돕는 하이드로젤을 포함하고 있어 진동 감쇠를 위한 이중층 구조에 사용된다.(그림 및 설명=UNIST 정훈의 교수)  © 특허뉴스

마치 고무처럼 유연하게 늘어나면서도 자동차의 하중을 견딜 수 있을 만큼 강한 소프트 인공근육이 개발됐다. 한국연구재단은 UNIST의 정훈의 교수 연구팀이 기존의 형상 기억 고분자에 강자성 입자를 결합하여 강성 변화율을 최대 2,700배까지 확대한 새로운 자성 복합 인공근육을 개발했다고 밝혔다.

형상 기억 고분자: 가변 강성 소재의 일종으로, 온도, 전기, 빛 등의 외부 자극에 의해 특정한 형태로 변형된 후 자극이 사라지면 원래의 형태로 돌아오는 특성을 가진 고분자.

강자성 입자: 자기장에 강하게 반응하고 자화된 상태를 유지할 수 있는 입자로, 철, 니켈 등과 같은 물질로 이루어져 있다.

이번 연구로 개발된 소프트 인공근육은 고무처럼 유연하게 늘어나면서도 자동차의 하중을 견딜 수 있을 만큼 단단한 상태로 변형될 수 있는 특징을 가지고 있다. 특히, 최대 2,700배까지 강성을 변화시킬 수 있어, 부드러운 상태에서는 최대 8배 이상 늘어나고, 딱딱한 상태에서는 자기 무게 대비 최대 1,000배의 인장 응력과 3,690배의 압축 응력을 견디는 강도를 지닌다.

소프트 인공근육, 로봇부터 의료기기까지 응용 가능성 확대

소프트 인공근육은 사람의 근육처럼 부드럽게 움직이면서도 강력한 힘을 발휘할 수 있어, 로봇, 웨어러블 장치, 생체의료기기 등 다양한 응용 분야에서 핵심 기술로 주목받고 있다. 기존의 소프트 로봇 기술에서는 유연한 고분자 소재를 사용해 복잡한 제어 없이도 부드러운 동작이 가능했지만, 낮은 강성으로 인해 무거운 물체를 들어 올리기 어려웠고, 불필요한 진동으로 인해 정밀한 제어가 어려운 문제점이 있었다.

정훈의 교수 연구팀이 개발한 새로운 소프트 자성 복합 인공근육은 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 기술로 평가된다. 기존의 형상 기억 고분자에 강자성 입자를 결합하여 하중 지지력과 신축성을 크게 높였으며, 외부 자기장에 반응하여 빠르고 효율적으로 강성을 변화시킬 수 있다.

특히, 연구팀은 특수 표면 처리된 강자성 입자를 형상 기억 고분자와 물리적으로 결합시켜 복합재의 기계적 물성을 크게 향상시켰다. 이를 통해 소프트 인공근육은 높은 신축성뿐만 아니라, 외부 자기장에 빠르고 정확하게 반응하는 능력을 가지게 되었다.

고성능 소프트 액추에이터로서의 가능성

이 소프트 인공근육은 로봇의 구동 장치인 액추에이터로도 뛰어난 성능을 보여주고 있다. 연구 결과에 따르면, 에너지 효율 90.9%에 달하는 성능을 보였으며, 기존 소프트 액추에이터에서 발생하는 불필요한 진동을 줄이기 위해 하이드로젤층을 덧붙인 이중층 구조로 제작되었다. 이로 인해, 빠른 움직임 중에도 정밀한 제어가 가능해졌으며, 더욱 복잡한 동작을 원격으로 구현할 수 있는 가능성이 열렸다.

정훈의 교수는 “이번 연구성과는 기존 인공근육의 한계를 극복한 뛰어난 기계적 특성과 구동 성능을 바탕으로 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다”며 “레이저 가열과 자기장 제어를 통한 신장, 수축, 굽힘, 비틀림 등의 기본적인 동작부터 물건을 집어 원하는 위치에 놓는 복잡한 동작까지 원격으로 구현할 수 있는 기술을 개발했다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 2024년 9월 10일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 온라인 판에 게재되었다. 논문명은 Multifunctional Magnetic Muscles for Soft Robotics 이다. 

이번 연구 성과는 소프트 로봇, 의료 기기, 웨어러블 장치 등 다양한 분야에서의 상용화를 통해 미래 산업에 큰 변화를 가져올 것으로 기대되며, UNIST 정훈의 교수 연구팀의 기술력은 전 세계적으로 주목받고 있다.