지난 수십 년간 사람과 동물의 근육을 모방한 ‘인공근육’ 개발을 위해 많은 연구자들이 부단한 노력을 해왔습니다. 무거운 물건을 들어 올리고, 다양한 동작을 하며, 상처 치유까지 가능한 새로운 인공근육 소재로, 폭넓은 활용이 가능해서인데요. 최근 부산대학교·한국화학연구원 공동연구진이 액정(액체와 고체의 중간상태를 띠는 물질)과 부드러운 고무 소재를 결합한 ‘액정 탄성체’를 이용해 생체근육보다 튼튼하면서도 재활용이 가능한 인공근육 개발에 성공했다고 30일 밝혔습니다.
연구팀에서 개발한 물질은 자기 몸무게의 660배의 무게를 들어 올리고 열을 이용한 용접, 용액 재활용 및 자가치유가 가능한 소재입니다. 기존 액정 탄성체 기반 인공근육 소재의 재활용 문제를 극복하고 동시에 기계적 물성까지 강화했다는 점에서 의미가 있습니다.
‘액정 탄성체’는 디스플레이에 사용되기도 하는 액정물질을 고무에 도입해 만든 스마트 소재죠. 특히, 특정방향으로 배향된 액정 탄성체의 경우 온도변화에 따라 높은 변형률(최대 약 400%)로 가역적인 수축과 팽창을 할 수 있는데요. 이러한 특성으로 1980년대 개발 초기부터 인공근육 개발을 위한 후보물질로 주목 받아 왔었습니다. 하지만, 우리가 흔히 사용하는 고무와 같이 그물형태로 ‘가교(架橋)’된 분자구조로 인해 한 번 망가지면, 다시 사용하기 어렵다는 문제가 있었습니다.
이에 연구진은 액정 탄성체를 재사용할 수 있도록 하기 위해 기존의 비가역적 공유 결합을 대신해 가역적 동적 공유 결합을 도입한 액정 탄성체를 설계하고 합성에 성공했습니다. 동적 공유 결합이란 특정 외부자극 하에서 분자결합의 분리와 재결합이 가역적으로 발생할 수 있는 공유 결합을 말하는데요. 특히, 이 과정에서 동적 공유 결합 특성뿐 아니라 수소 결합 특성까지 보유한 폴리티오우레아(polythiourea) 가교제를 핵심 물질로 사용해 가공성과 동시에 기계적 물성까지 강화시켰습니다. 이러한 티오우레아 가교제를 액정 탄성체에 도입해 인공근육을 구현한 사례는 이번 연구가 최초입니다.
이번에 새롭게 개발된 액정 탄성체는 기존 액정 탄성체뿐만 아니라 고무에서도 볼 수 없는, 열을 이용한 용접 및 용액 재활용과 함께 자가치유(상처 부위에 열을 가하면 회복) 능력을 나타냈습니다. 특히 사람의 근육보다 3배 이상 우수한 성능을 보였는데요. 연구진은 더 나아가 액정 탄성체 내에 열선을 삽입해 전기로 구동할 수 있는 인공근육을 제작·시연 및 재활용하는 데까지 성공했습니다.
연구책임을 맡은 부산대 안석균 교수는 “이번 결과는 재활용이 어려웠던 기존 액정 탄성체의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 분자구조의 액정 탄성체를 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했습니다. 특히, “본 소재기술이 향후 지속가능한 인공근육 및 연성 액추에이터, 소프트 로봇 등의 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했습니다.
이번 연구 성과는 소재분야의 세계적인 학술지 『어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)』 3월 23일자에 게재됐습니다. 연구의 혁신성을 인정받아 표지논문(Inside Front Cover)으로도 선정됐습니다.
