'빛'으로 움직이는 수중 소프트 로봇용 인공 근육 개발 [세상을 깨우는 발견]

[세상을 깨우는 발견] 한국화학연구원, 결정성 액정 탄성체 기반... 수축·이완 동작 방향 조절 가능

[유창재 기자]

▲ AC-LCE 소재로 만든 스프링 구조 인공근육에 자외선을 비춰 동작을 유도하는 모습 ⓒ 한국화학연구원 제공

수(水)중에서도 자유롭게 작동하는 광(光)화학 기반의 소프트 로봇용 '인공 근육(엑추에이터)'이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

'소프트 로봇 공학(Soft Robotics)' 관련 세계 시장 규모는 올해(2025년) 약 20억 달러로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR) 34.45%로 성장해 2030년에는 약 88억 달러에 이를 것(출처 : Mordor Intelligence, 소프트 로보틱스 시장 규모 및 점유율 분석-성장 동향 및 예측)으로 전망되는 가운데 연구 결과가 더욱 주목받고 있다.

이번에 개발된 인공 근육은 기존의 인공 근육 대비 3배 높은 작동 거리와 2배 높은 구동 성능을 확보했으며, 특히 열·전기 기반의 인공 근육과 달리 물 속에서 작동이 가능하고 수축·이완 동작 방향 조절로 복잡한 구동이 가능하다.

때문에 '원격 소프트 로봇' 등 소형 장치 외에도 의료 분야에서 길이가 매우 작은 고성능 소프트 로봇을 이용해 혈관 내에서 튕기거나 꿈틀거리며 심혈관 질환을 치료 또는 시뮬레이션하는 등 활용 확대가 예상된다. 이외에도 국방·극한 환경용 구동기 등 다양한 분야에서 활용할 것으로 기대된다.

▲ 주요 연구진. (사진 왼쪽부터) 화학연 김현 선임연구원(교신저자), 부산대 이하범 교수(교신저자), (미) Texas A&M 대 Taylor H. Ware 교수(교신저자), 부산대 서원빈 학생 (1저자) ⓒ 한국화학연구원 제공

한국화학연구원(KRICT, 원장 이영국)은 4일 본원의 화학소재연구본부 선임연구원인 김현 박사와 부산대학교(총장 최재원) 이하범 교수, 미국 Texas A&M(텍사스 에이 앤 엠) 대학교 Taylor H. Ware(테일러 에이치 웨어) 교수 공동연구팀이 '빛으로 움직이는 결정성 액정 탄성체 기반의 수중 로봇용 인공 근육'을 개발했다고 밝혔다.

한국화학연구원에 따르면, 기존 소프트 로봇용 동력 장치는 전기·공압·유압·열 등을 이용하여 구동되는데, 배터리, 모터, 기어 등 복잡한 부품이 물에 노출되면 안정적으로 작동을 제어하기 어려워 물 속에서 사용하는데 제약이 있었다는 것. 이에 빛을 이용해 변형을 유도하는 광열 또는 광화학 소재가 주목을 받고 있다는 설명이다.

다만, 광열 소재는 빛·열에 노출되어 형태가 변형되더라도, 수중에서 냉각 때문에 즉시 원래대로 돌아가 원하는 동작을 유지하기 힘들었고, 또한 기존 광화학 소재는 분자구조의 변형이 표면에 국한되어 단순한 굽힘 동작만 가능하다는 한계가 있었다고 한다.

▲ 결정성 액정 탄성체 스프링 인공근육 연구 개괄도 ⓒ 한국화학연구원 제공

이에 공동연구진은 "수중 환경에서 소프트 로봇이 생물체와 같은 강력한 구동력을 얻으려면 섬유, 코일, 스프링 형태 등의 꼬인 선형 형상으로 수축 및 이완을 반복할 수 있는 '인공 근육 구조 구현'이 필요했다"면서 "'아조벤젠 기능화된 결정성 액정 탄성체(Azobenzene-Functionalized Semicrystalline Liquid Crystal Elastomer, AC-LCE)' 소재를 활용해 물속에서 더 많은 형태 변형과 강력한 운동 능력을 구현해 냈다"고 강조했다.

무엇보다 기존의 '액정 탄성체'는 소재 안의 분자 배열을 정밀하게 설계할 수 있어서 작은 자극만으로도 크게 움직일 수 있는 특징을 갖고 있다. 반면, 마치 고무줄처럼 말랑말랑한 특성 때문에 물체를 움직이는 힘이 비교적 약하고 강성도 부족해 스프링 구조 같은 형태로는 활용이 힘들었다.

따라서 연구진은 이같은 한계를 극복하는 '강성이 조절되는 새로운 액정 고무 소재'를 만들고, 여기에 광화학 분자 '아조벤젠'을 넣어 빛을 받으면 움직이도록 만들었다.

▲ 스프링 구조 설계에 기반한 구동 방향 컨트롤 ⓒ 한국화학연구원 제공

연구진은 "기존 광열 소재와 달리 이번 AC-LCE 소재는 빛을 꺼도 바로 원래대로 돌아가지 않고 일정 시간 동안 수축 또는 이완된 상태를 고정할 수 있다"면서 "이런 '구동 자물쇠'를 인공 근육 부위별로 적용하자 원하는 동작 순서와 위치를 조절할 수 있었다"고 설명했다.

그리고 연구진은 스프링 형태의 AC-LCE 인공 근육 소재를 선형 및 고리형으로 제작하여 마치 로봇의 부품처럼 조립하여 성능을 실험했다. 그 결과, 기존 광화학 기반 인공 근육 소재보다 늘어나거나 줄어드는 길이는 3배 이상, 움직이는 힘은 포유류의 일반적인 근육보다 2배 이상 강한 것을 확인했다.

또한 연구진은 AC-LCE 소재로 인공 근육의 특정 구조(호모키랄, 헤테로키랄)를 설계하여 확장 및 수축 동작 방향 또한 자유롭게 조절할 수 있도록 했다.

덕분에 수중 환경에서 자외선과 가시광선을 비추며 수축·이완을 원격 조절함으로써 소프트 로봇의 몸통에 동력을 제공해 물속을 이동하게 하거나, 로봇 손이 물체를 쥐거나 놓도록 하는 모습을 보여줬다. 이때 배터리, 기계장치, 와이어, 펌프 등 어떠한 연결 없이도 빛 만으로 100회 이상 반복적으로 조작 가능했다.

나아가 연구진은 다양한 응용 분야에 적용하기 위한 융합 연구 및 대량 소재 생산 기술 등 추가 연구를 통해 2030년 이후 실용화를 목표로 하고 있다고 제시했다.

▲ '구동 자물쇠' 구현 및 빛에 의한 소프트 로봇의 순차적 공간적 구동 컨트롤 ⓒ 한국화학연구원 제공

연구진은 이번 연구에 대해 "기존 기계·전기 장치 기반 동력 장치의 한계를 극복하고, 수중 환경에서도 별도의 전원이나 기계장치의 연결 없이 작동할 수 있는 차세대 소프트 로봇 소재 기술을 제시한 점에서 큰 의미가 있다"고 자평했다.

이영국 한국화학연구원장은 "이 기술이 발전하면 첨단 로봇, 헬스케어 기기 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다"고 전했다.

한편, 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업과 국제협력사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 <스몰(Small>(IF: 13)에 후면 표지 논문으로 지난 2월 게재됐다.

▲ Small 2025년 2월호 후면 표지 논문 이미지 ⓒ 한국화학연구원 제공