고무처럼 유연하면서 ‘자동차 무게’까지 견디는 인공근육 개발

고무와 같은 유연성을 가지면서도 자동차 수준의 무게를 견딜 수 있는 인공근육이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수 연구팀은 기존 대비 강성 변화율을 최대 2,700배 확대한 새로운 ‘자성 복합 인공근육’을 개발했다.

인공근육의 구성과 활용

일반적으로 인공근육은 고분자(pollymer), 실리콘 등 유연성을 가진 재료로 만들어진다. 자연근육처럼 움직일 수 있는 것이 중요하기 때문에, 신축성이 좋고 가벼운 소재가 주력이 되는 것이다. 기술이 발전함에 따라 전기 변형 고분자(EPDM)와 같이 전기적, 온도적 자극에 반응할 수 있는 ‘스마트 소재’가 사용되기도 한다.

인간의 근육은 수축과 이완 메커니즘을 통해 움직임이 가능하도록 한다. 이를 위해 인공근육은 내부에서의 압력 변화 또는 전기 신호 등을 통해 수축, 이완할 수 있도록 만들어진다. 또한, 피부를 통해 느껴지는 감각을 구현하기 위해 센서와 피드백 시스템을 접목하기도 한다. 주위 환경과 상호작용하여, 실시간으로 정교한 반응과 움직임 조절이 가능하게 하는 것이다.

인공근육은 재활이 필요한 환자의 치료에 널리 사용된다. 이를 통해 신체 본연의 기능을 회복하는 데 기여하고 있다. 전기 자극 장치로 통증을 관리하며 특정 부위의 운동 범위를 회복할 수 있도록 하는 것이 그 예다. 이밖에 신체 기능을 대체하는 보조기구, 외과 수술 보조 로봇 등 다양한 분야에 활용된다. 

튼튼하면서도 유연함 필요

부드러운 고분자 소재 등으로 제작된 인공근육은 별다른 제어 없이도 유연한 동작이 가능하다. 그 유연성은 자연근육과 비교해도 손색이 없을 정도다. 하지만 ‘강성이 낮다’는 한계가 있었다. 이로 인해 힘이 가해졌을 때 형태가 변형될 수 있다는 단점을 갖는다. 

자연근육은 무게에 따라 필요한 만큼 근섬유를 동원해 꽤 넓은 범위에서 하중을 지탱할 수 있다. 게다가 단련을 통해 강도와 내구성을 향상시킬 수 있다. 하지만 인공근육은 다르다. 기본적으로 ‘소재 내구성’이 버틸 수 있는 한계를 초과하면 변형되거나 파손된다. 구조적 손상으로 인공근육 자체가 못 쓰게 돼 버리는 것이다. 

또한, 불필요한 진동이 발생하는 경우도 문제가 된다. 재료 탄성, 온도나 습도 변화, 제어 신호 불안정 등의 문제로 진동이 발생할 수 있다. 이는 원하는 동작을 올바르게 수행하는 데 걸림돌이 된다. 특히 정밀한 작업을 담당해야 하는 의료 기구 등에서는 치명적인 문제가 될 수 있다.

이를 해결하기 위해 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 ‘강성 변화’가 가능한 소재를 사용하기도 한다. 외부 신호를 통해 경도와 유연성을 조절할 수 있는 특수 물질이다. 하지만 강성 변화 범위가 넓지 않고, 환경 조건에 따라 필요한 강성이 보장되지 않을 수 있다. 또한, 전통적인 재료들에 비해 내구성이나 마모 저항성 등 기계적 성능이 부족하다는 한계가 있었다.

최대 2,700배 강성 변화 가능한 소재

정훈의 교수 연구팀은 기존에 사용되던 강성 변화 가능 소재인 ‘형상 기억 고분자’를 활용해 이러한 한계를 극복하고자 했다. 자성을 띠면서 강한 힘을 낼 수 있는 ‘강자성 입자’를 결합해 ‘소프트 자성 복합 인공근육’을 개발한 것이다. 이로 인해 무게를 지탱하는 능력과 신축성이 크게 개선됐다.

특수 표면 처리를 거친 강자성 입자는 형상 기억 고분자와 ‘물리적 얽힘’을 형성한다. 이를 통해 만들어진 복합 소재는 기계적 성능을 대폭 향상시켰다. 또한, 강자성 입자가 본래 자성을 띠고 있기 때문에 외부에서 가해지는 자기장에 대해서도 반응할 수 있다.

이렇게 개발된 소프트 인공근육은 최대 2,700배까지 강성을 변화시킬 수 있다. 부드러운 상태에서는 8배까지 늘어나는 유연성을 갖췄다. 자연근육이 필요에 따라 길이가 늘어날 수 있는 것처럼, 높은 유연성은 보다 다양한 움직임을 가능하게 해주는 기반이 된다. 

한편, 딱딱한 상태에서의 견고함도 대폭 상향됐다. 인장 응력(늘어나는 힘에 대한 저항력)은 자기 무게 대비 최대 1,000배까지 견딜 수 있고, 압축 응력(누르는 힘에 대한 저항력)은 최대 3,690배까지 견딜 수 있다.

또한, 연구팀은 기존 소재에서 발생하는 불필요한 진동을 잡는 것에도 주목했다. 이를 위해 하이드로젤 소재를 덧붙인 이중층 구조를 제작하여, 빠른 작동 중에도 근육 움직임을 정밀하게 제어할 수 있도록 했다.

기존 분야의 폭넓은 진보 기대

정훈의 교수는 이번 연구성과에 대해 “기존 인공근육의 한계를 극복한 우수한 기계적 특성과 구동 성능을 바탕으로, 다양한 분야에서 혁신적 응용이 가능할 것으로 기대된다”라고 이야기했다. 의수, 의족과 같은 기존 의료 및 재활 목적의 활용부터 더욱 자연스럽고 유연하게 움직이는 로봇 제작까지 폭넓은 활용이 이루어질 것으로 내다보고 있다.

또한, 정 교수는 “다중 자극 방식인 레이저 가열과 자기장 제어를 통해, 신장과 수축, 굽힘과 비틀림 등 기본적인 동작부터 물건을 집어 원하는 위치에 놓는 복잡한 동작까지 원격으로 구현할 수 있다”라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구 지원’을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」에 온라인 게재된 바 있다.