[기계신문] 최근 소프트 로봇의 수요와 관심이 증가하고, 세계 유수의 연구기관들은 소프트 액추에이터의 성능 향상과 기능 추가를 위해 다양하고 심도 있는 연구를 진행하고 있다.

소프트 액추에이터는 탄력 있고 가벼운 재질로 구성된다. 그래서 곡면이나 요철 등 불특정한 외관의 물체나 깨지기 쉬운 물체를 다룰 수 있는 등의 기존 강체 액추에이터가 할 수 없었던 독특하고 유용한 특징을 보여준다. 이러한 특징을 바탕으로 인공근육, 소프트 매니퓰레이터, 생체모방 로봇, 바이오 메디컬 로봇 등과 같은 다양한 생체 응용 분야에 활용되고 있다.

소프트 액추에이터를 생체 응용하기 위해서는 낮은 온도에서 다양한 동작을 수행할 수 있어야 한다. 기존의 열반응성 엑추에이터(ETA)는 100℃ 이상 고온의 열원이 필요했다. 또한 대부분 등방성 고분자를 적용하므로 열에 의한 움직임의 방향이 액추에이터의 기하학적인 설계에 따라 제한되었다.

또한 꽃, 카멜레온, 문어, 개구리와 같이 색을 능동적으로 바꾸는 능력을 모방해 소프트 로봇에 적용하는 연구도 주목 받고 있다. 이러한 기술은 주변으로부터의 위장, 직관적인 정보 전달 등이 가능케 하는 데에 중요한 역할을 할 것이다.

최근 서울대학교 고승환 교수 연구팀은 단순한 움직이기만 하는 것이 아니라 움직임과 동시에 색 변화가 가능한 소프트 액추에이터를 세계 최초로 개발했다. 저밀도폴리에틸렌(LDPE) 필름을 이용하여 액추에이터를 구성하는 다른 요소들에 제약을 받지 않아 간편하게 구동 방향 설계가 가능하다.

개발된 소프트 액추에이터는 이방성 열팽창 계수의 LDPE와 온도 감응형 염료가 적용된 등방성 열팽창 계수를 가진 폴리비닐클로라이드(PVC), 그리고 두 필름 사이에 은 나노와이어 퍼콜레이션 네트워크 기반의 투명 신축성 히터의 샌드위치 형태로 구성된다.

▲ 제작된 소프트 액추에이터 모식도와 온도에 따른 색‧움직임 변화 사진. 이방성 고분자 필름(LDPE)과 레이저 패터닝된 은나노와이어 네트워크를 기반으로 이방성 소프트 액추에이터를 제작하였다. 또한, 온도 감응형 염료를 적용하여 움직임과 동시에 색이 변화할 수 있다.

이 소프트 액추에이터는 두 얇은 필름의 커다란 열팽창 계수 차이에 의해 구동되며, 이전에 보고된 전기열 구동 소프트 액추에이터보다 상당히 낮은 온도(에서 매우 큰 굽힘 곡률을 보여준다.

광학적 투명성을 가진 2개의 고분자 필름과 은 나노와이어 네트워크 기반의 투명 히터는 전체 액추에이터 시스템의 투명화를 가능하게 하여 온도 감응형 연료가 적용된 액추에이터의 구동과 동시에 발현되는 색 변화를 액추에이터 전방위에서 즉각적으로 시각화할 수 있다.

▲ 소프트 액추에이터의 다양한 구동 모습과 내구성 테스트 결과. 이방성 고분자 필름(LDPE)을 적용하여 기하학적인 제약 없이 필름의 방향 설정에 따라 소프트 액추에이터의 움직임을 쉽게 설계할 수 있다. 또한 구동과 동시에 색이 변화하여 움직임을 즉각적, 직관적으로 인지할 수 있다. 저온 구동이므로 고반복 환경에서도(10,000회 반복) 성능 저하가 없는 고내구성 소프트 액추에이터를 개발하였다.

은 나노와이어 퍼콜레이션 네트워크를 기반으로 한 신축성 투명 히터의 적용으로 큰 굽힘과 반복적인 움직임에도 히터의 성질을 유지할 수 있으며 최대 곡률에서 10,000회 이상의 구동에도 우수한 안정성과 내구성을 보여준다.

손쉬운 구동 방향 설계와 온도에 따라 색 변화 가능한 소프트 액추에이터 기술을 응용하여 개화를 하며 동시에 색 변화하는 꽃, 날갯짓과 동시에 색이 변하는 투명 나비, 물체를 감으며 색이 변화하는 담쟁이덩굴로의 생체모방 로봇을 구현하였다.

▲ 생체모방 소프트 로봇으로의 다양한 응용(색 변화 꽃, 색 변화 투명 나비). 이방성 소프트 액추에이터의 생체모방 소프트 로봇으로의 기술 적용을 시연하기 위해 개화하며 색이 발현되는 생체모방 꽃과 날갯짓을 하며 색이 변화하는 생체모방 나비 로봇을 제작하였다. 이를 통해 실제 생체의 움직임뿐만 아니라 색의 변화도 모사할 수 있는 새로운 소프트 로보틱스 기술을 구현하였다.

개발된 액추에이터는 체온 범위의 낮은 온도에서도 큰 곡률의 구동이 가능하여, 시스템에 전체 피로도를 줄여주고 고반복 환경에서도 성능 저하가 현저하게 적다. 고내구성뿐만 아니라 생체 조직 손상도 방지할 수 있어, 생체 적용 소프트 로봇의 응용 가능성을 넓힌 핵심 기술이다.

이방성 열팽창 계수를 갖는 고분자 필름의 적용으로 오로지 필름 방향에 따라 액추에이터의 구동 방향을 독립적으로 손쉽게 제어할 수 있다. 이는 액추에이터의 기하학적인 조건, 적용되는 히터의 디자인 등의 다른 요소에 의해 구동 방향에 제한되는 종래의 ETA 연구들의 한계를 극복한 기술로 다양한 형태와 다차원의 움직임이 가능하다.

고승환 교수는 “이방성 및 색 변화 소프트 액추에이터는 이전에 없었던 저온 구동, 고내구성, 자유도 높은 구동 방향 설계와 구동에 따른 즉각적이고 직관적인 색 변화 특징을 가진다”며 ”이에 소프트 로보틱스가 생체모방 로봇, 위장 로봇, 인공 근육, 예술 로봇 등의 새로운 응용 분야로 활용될 수 있다“고 설명했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials) 8월 8일 표지논문으로 게재되었다.