한-중 연구진, 생체소재 기반 인공근육 성능 ↑.. '세계 최고 변형률'

의료, 재활, 웨어러블 로봇 분야서 금속 로봇 결점 극복 기대

응용가능 분야: a. 의료용: 그리퍼, b. 의료용: 혈관 스텐트, c. 예술소품: 꽃 운동 모사, d. 예술소품: 나비운동 모사. 한국마이크로의료로봇연구원 제공

[쿠키뉴스] 유수인 기자 = 한국마이크로의료로봇연구원과 전남대학교 최은표 교수 연구팀, 중국 절강이공대학(Zhejiang Sci-Tech U.) Qinchuan Li, Fan Wang 교수 연구팀은 공동연구를 통해 매우 낮은 전압에서 세계 최고의 변형률을 갖는 생체소재 기반 인공근육을 개발했다고 12일 밝혔다.

본 성과는 소프트로봇(soft robotics) 분야의 핵심기술로, 기존 생체소재 기반의 인공근육 기술 의 ‘높은 구동전압 및 낮은 반응속도’ 문제를 해결할 수 있는 원천기술로 평가된다. 

소프트로봇은 문어, 물고기 혹은 미생물 등 유연한 동물의 움직임을 모방해 유연하게 자유자재로 형태가 변하는 특징으로 의료, 재활, 웨어러블 로봇 등의 분야에서 전통적인 금속 로봇의 결점을 극복할 것으로 기대되고 있다. 

이에 연구자들은 소프트로봇을 구동하기 위해 저소음, 저진동, 낮은 전력소비량 등의 특성을 갖는 이온성 소프트 액추에이터 개발에 주목하고 있으며, 특히 웨어러블 및 인체 내 삽입이 가능한 의료용 소프트로봇 개발을 위해 인체 친화적인 생체소재를 기반으로 하는 소프트 액추에이터, 이른바 인공근육 개발에 박차를 가하고 있다.

하지만 이제까지의 생체소재를 기반으로 한 이온성 소프트 액추에이터는 매우 낮은 변형률과 반응속도, 그리고 짧은 수명으로 소프트로봇에 응용하는데 있어서 어려움이 있다.

이에 연구팀은 생분해/생적합성 소재인 박테리아 셀룰로스 기반의 소프트 액추에이터에 전도성 고분자인 폴리피롤(Polypyrrole)을 코팅해 세계 최고 수준의 변형률과 반응 속도를 갖는 이온성 소프트 액추에이터(인공근육)을 개발했다.

박테리아 셀룰로스는 박테리아 세포벽의 중요성분을 구성하는 섬유소이며 생체적합성이 우수해 인공장기와 같은 생체재료 활용이 기대되는 소재이다. 또 3차원 나노 망구조로 인해 표면적이 크며 고강도 고탄력 특성으로 차세대 소재로 각광받고 있다. 

박테리아 셀룰로스 자체만으로도 이온성 소프트 액추에이터로 개발되고 있으나 낮은 전도성으로 인해 구동효율이 매우 낮다. 하지만 여기에 높은 전도성을 갖는 폴리피롤(Polypyrrole) 나노입자를 코팅하고 추가로 부드럽고 유연한 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 코팅해 유연 전극으로 활용한 결과, 낮은 구동전압(0.5V)일 때 높은 변형률(0.93%)과 빠른 반응속도(4초)를 얻었다. 이 결과는 현존하는 생체소재 기반 이온성 소프트 액추에이터 중 가장 높다. 또 0.5V, 0.1Hz 주기로 5시간의 장시간 구동한 결과 성능 변화가 거의 없었다.

본 연구를 주도한 최은표 교수는 “본 기술은 의료용 수술로봇, 헬스케어용 웨어러블 장치등 다양한 분야에서 핵심원천기술로 활용될 것으로 기대된다”며 “실용화를 위해서는 높은 변형률 뿐 아니라 큰 힘을 낼 수 있는 연구도 계속 진행돼야 한다”고 말했다.

한편, 연구 성과는 소재분야 저명 국제학술지인 Advanced Functional Materials(영향력 지수 16.836) 2021년 31호 (3월 24일) 표지 논문으로 선정됐다. 

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