문어처럼 흐물거리다 단단하게 변한다

서울대 고승환 교수팀, 새로운 소프트로봇 기술 개발
젤 형태에서 일순간 뼈와 관절구조로 바꿀 수 있어

무 척추 동물과 척추 동물의 몸 수분 분포 특성과 이를 모사한 시스템의 운동학적 특성. 서울대 고승환 교수 제공

[파이낸셜뉴스] 서울대 기계공학부 고승환 교수팀이 문어처럼 부드러운 상태에서 관절과 뼈로 이뤄진 구조로 자유롭게 바꿀 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 단순히 단단한 성질로 바꾸는 것 뿐만아니라 원하는 위치에 관절 구조를 필요에 따라 만들거나 없앨 수 있다.

고승환 교수는 "이 기술은 차세대 소프트 로봇 분야에 혁신적 도약을 가져올 것"이라고 전망했다.

물에 잘녹는 수화염이 딱딱한 결정이 될때 하이드로겔의 수분을 뺏는 현상이 일어난다. 연구진은 이 현상을 이용해 문어 다리처럼 부드러운 상태에서 원하는 순간에 일부분의 수분량을 조절해 딱딱하게 만들 수 있는 기술을 개발했다.

이 기술로 만든 구조물은 평소엔 투명하고 부드러워 압력이 110kPa이지만 수분량을 조절해 일순간 1MPa에서 최대 1GPa까지 단단하게 만들었다.

연구진은 하이드로겔 분자와 수화염의 열역학적 상호작용을 공간적으로 제어해 이러한 변환을 가역적으로 가능하게 했다고 설명했다.

생물의 몸은 살고 있는 환경에 최적화된 형태로 진화한다. 문어와 같은 동물은 좁은 바위틈에서 생존하기 위해 부드러운 몸을 가지고 있다. 반면 척추동물은 효율적인 힘을 전달하기 위해 뼈와 연골로 이뤄진 관절구조에 기초한 몸을 가졌다.

이처럼 생체 조직의 기계적 특성은 조직 속 수분량으로 결정된다. 문어는 전체적으로 많은 수분을 포함하고 있으나 척추동물의 관절은 수분이 많은 연골과 거의 없는 뼈의 조합으로 구성됐다.

관절구조는 무릎이나 팔꿈치처럼 상대적으로 기계적 강성이 약한 부분의 변형만을 허용해 유한한 운동학적 자유도를 가진다.

이 특성은 좁은 틈을 통과하기에는 부적합하지만 정확한 힘을 전달할 수 있다. 반면 문어처럼 전체적으로 부드러운 특징은 관절구조와 상반되는 특성을 가지고 있다.

이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스트 사이언스(advanced science)'에 8월 27일자로 발표됐다.