초소형 로봇에 쓸 차세대 ‘하이드로겔 모터’, 국내 연구진이 개발

기존 제품보다 성능 10배 이상 개선
환경탐사로봇, 의료장치 등 활용 기대

하이드로겔로 구동하는 초소형 로봇./Science Robotics

물속에서 움직이는 초소형 로봇을 만드는 데 반드시 필요한 ‘연성 구동기’를 기존 모델보다 10배 이상 성능으로 개량한 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.

26일 과학기술정보통신부(과기부)에 따르면 조진한 고려대 화공생명공학과 교수와 고제성 아주대 기계공학과 교수 공동 연구팀은 고성능·저전력 연성 구동기 개발에 성공했다. 연성 구동기는 금속처럼 단단하고 부피가 큰 소재가 아니라 부드러운 재료로 만든 모터의 일종이다.

연구팀은 이번 구동기 개발에 ‘하이드로겔’이라 불리는 신소재를 사용했다. 하이드로겔은 응답속도가 빠르고 운동능력이 뛰어나 차세대 초소형 로봇 제작의 핵심 재료로 쓰인다.

그런데 기존 하이드로겔 구동기는 금속 모터에 비하면 탄성이 좋았지만, 표면에 주름이 없고 팽팽해 유연하고 복잡한 움직임이 필요한 로봇 시스템에 쓰기는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 표면이 주름진 하이드로겔을 제작한 뒤, 표면에 수십 나노미터(㎚) 크기의 전극을 촘촘히 깔았다. 이렇게 하면 구동기가 로봇의 유연한 움직임에도 손상되지 않는 것에 더해, 전기 효율이 좋아져 적은 에너지로도 작동이 가능하다. 기존 연성 구동기에는 ㎚의 1000배인 마이크로미터(㎛) 단위의 전극을 사용했다. 그만큼 표면에 깔 수 있는 전극 수가 적어 에너지 효율도 떨어졌다.

조진한 고려대 화공생명공학과 교수와 고제성 아주대 기계공학과 교수 공동 연구팀이 개발한 연성 구동기 조직도와, 이를 이용해 만든 초소형 수상로봇. /과학기술정보통신부 제공

연구팀에 따르면 기존 연성 구동기를 움직이려면 1000볼트(V) 이상의 높은 전압이 필요하다. 반면 새로 개발한 연성 구동기는 3V도 안 되는 전압만 가해도 정상 작동한다. 기존 연성 구동기에 비해 에너지 밀도는 100배, 출력 밀도는 10배 이상이라고 한다. 작동 원리와 성능 수준 모두 세계 최초라고 연구팀은 설명했다.

크기가 작고 전압이 낮은 배터리만 갖고도 높은 성능이 나오는 점을 활용, 연구팀은 새로 개발한 연성 구동기가 장착된 초소형 수상로봇 제작에도 성공했다. 조 교수는 “향후 다양한 소형 환경탐사로봇, 의료용 장치 등에도 응용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

고 교수는 “하이드로겔 전극 제작기술은 기능성 하이드로겔을 보다 쉽게 전자 소재화 할 수 있는 기술로, 다양한 형태의 차세대 소재연구에 도입할 수 있다”고 말했다. 이번 연구 결과는 이날 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스’에 실렸다.

참고자료

Sciecne Robotics, DOI: http://science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo6463

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