국내 연구진이 기존 구동 속도 대비 2배 이상 빨라진 스프링 형태의 형상기억합금 구동기를 이용해 사람과 동물의 골격근처럼 힘을 낼 수 있는 ‘형상기억합금 인공근육’을 개발했습니다. 형상기억합금이란 임의로 모양으로 변형시키더라도 가열에 의하여 다시 변형 전 기억된 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금입니다.
한국연구재단 오일권 교수 연구팀(한국과학기술원)이 인공 근육을 활용한 착용형 의수와 고양이의 독특한 발톱 구조에서 착안한 생체모방 로보틱스를 개발했다고 밝혔는데요.
온도가 올라감에 따라 미리 기억된 형태로 수축하고 뒤따르는 냉각에 의해 이완되며 움직임을 발생시키는 형상기억합금 스프링*은 인공 근육으로써 응용하기 위해 많은 연구가 수행되었습니다. 형상기억합금 스프링은 스프링 모양으로 제작된 형상기억합금입니다. 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 있었습니다.
이에 연구팀은 일반 전자부품이나 칩 등의 온도를 빠르게 낮추기 위해 표면에 뾰족한 방열판을 부착하는 것에서 착안, 스프링 형태의 형상기억합금 표면에 뾰족한 구리 나노와이어를 균일하게 성장시켰습니다. 나노와이어의 경우 수십 ~ 수백 나노미터(nm) 단위의 지름을 갖는 얇은 선입니다.
이를 통해 형상기억합금의 표면적을 높이고, 열이 외부로 전달되는 것을 촉진시킴으로써 형상기억합금의 냉각을 가속하는데 성공했는데요. 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 개발했습니다.
또한, 연구팀은 개발된 인공근육이 동물의 골격근과도 유사하다는 점에 집중하여 구동 속도가 빨라진 인공근육을 생체모방 로보틱스로 응용했습니다. 고양이가 필요에 따라 개폐식 발톱(retractable claw)을 드러내고 감추며 지면과의 마찰을 제어하는 특징에 주목하여 생체모방 개폐식 발톱을 구현한 것인데요. 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 기대됩니다.
앞으로 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 예상하고 있습니다.
연구의 성과는 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 5월 2일 게재되었으며, 표지 논문으로 선정되었습니다.
논문명 : Cooling-Accelerated Nanowire-Nitinol Hybrid Muscle for Versatile Prosthetic Hand and Biomimetic Retractable Claw
