이온성 소프트 액츄에이터 개발, 예술소품에 적용

국내연구팀이 차세대 나노물질인 맥신(MXene)을 전극소재로 활용, 최고 수준의 굽힘 변형률을 갖는 인공근육을 개발했다.

오일권 교수(KAIST 기계공학과) 연구팀은 나비 날개짓 처럼 부드럽게 움직일 수 있는 소프트 로봇용 인공근육(소프트 액츄에이터)을 개발했다고 한국연구재단이 밝혔다.

연구팀은 맥신을 전도성 고분자와 결합, 표면 제어가 가능한 전도성 유연전극을 제작해 1V에 못 미치는 낮은 전압으로 각도 180도 정도로 굽혀지는 성능을 얻었다.

기존 금속성 로봇과 달리 천이나 고무 같은 부드러운 소재를 이용해 사람의 근육처럼 유연하게 움직일 수 있는 소프트로봇은 좁은 곳을 통과할 수 있는데다 접촉하는 대상에 미치는 충격이나 손상을 줄일 수 있다. 의료(유연한 내시경, 수술용 바늘 등)나 탐사, 재난구조, 제조 등 분야에서 주목받고 있다.

디즈니 애니메이션 <빅 히어로>의 주인공 베이맥스처럼 공기압을 이용해 부풀리고 움직임을 유도하는 공압식 소프트 액츄에이터 연구는 활발하나 크고 무거워 소모전력이 크다는 것이 단점이었다.

때문에 낮은 전압과 전력으로 구동하는 이온성 소프트 액츄에이터는 구동수명이 짧고 안정성과 변형률의 한계로 실제 공학적으로 응용에 어려움이 있었다.

맥신(MXene) 기반 소프트 액츄에이터의 메커니즘 및 맥신(MXene) 구성도.  
(왼쪽) 전극 양면에 전기장이 가해지면 전해질 내에 존재하는 양이온(붉은색 원)과 음이온(초록색 원)들이 상대전극으로 이동하게 되고 두 이온의 분자 크기 차이에 의해 굽힘 변형이 발생하게 된다. (오른쪽) 전극을 구성하고 있는 맥신(MXene)의 독특한 층 구조의 세부 모습을 보여준다.
맥신(MXene) 기반 소프트 액츄에이터의 메커니즘 및 맥신(MXene) 구성도.
(왼쪽) 전극 양면에 전기장이 가해지면 전해질 내에 존재하는 양이온(붉은색 원)과 음이온(초록색 원)들이 상대전극으로 이동하게 되고 두 이온의 분자 크기 차이에 의해 굽힘 변형이 발생하게 된다. (오른쪽) 전극을 구성하고 있는 맥신(MXene)의 독특한 층 구조의 세부 모습을 보여준다.

연구팀이 개발한 인공근육은 낮은 전압에서도 매우 빠르게(반응속도 1초) 반응하고 높은 굽힘 변형률(1.37%)을 나타냈다. 18,000 사이클 이상의 장시간 운전에도 성능의 변화가 거의 없이 안정적으로 작동했다.

연구팀은 개발한 인공근육으로 나비 날개짓이나 수선화 개화 모션을 구현한 움직이는 예술소품(kinetic art pieces), 소프트 로봇을 실제 시연했다.

오일권 교수는 “기존 인공 근육의 낮은 굽힘 변형률 및 짧은 구동 수명으로 인한 한계를 극복함으로서 특히 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 밝혔다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구지원) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 로봇 분야 국제학술지 ‘Science Robotics(사이언스 로보틱스)’에 8월 22일 게재(표지사진)됐다.

* 논문명 : MXene Artificial Muscles Based on Ionically Cross-linked Ti3C2Tx Electrode for Kinetic Soft Robotics