고무처럼 늘어다 강철처럼 단단해지는 인공 근육 개발

자기 인공근육의 구동 원리와 하중 지지 능력. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 고무처럼 늘어났다가도 강철처럼 단단하게 변하는 인공 근육이 나왔다. 사람 근육이 수축해 무거운 물건을 드는 것처럼 이 인공 근육도 수축하면서 무게를 들 수 있는데, 이때 낼 수 있는 에너지가 사람 근육보다 30배 크다.

울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수팀은 강성을 자유자재로 바꿀 수 있는 소프트 인공 근육을 개발했다고 17일 밝혔다.

소프트 인공근육은 사람과 상호작용해야 하는 로봇, 웨어러블 기기, 의료 보조 장치 등에 활용될 수 있지만 무거운 물체를 드는 데에는 한계가 있다. 부드럽고 유연한 장점이 실제 힘을 쓰는 근육 역할에 방해가 되기 때문이다.

연구팀 개발한 소프트 인공 근육은 하중을 지탱해야 하는 상태에서는 딱딱해지고, 이를 들어올려야 하는 상황에서는 부드러워져 수축할 수 있다. 딱딱한 상태에는 무게 1.25g에 불과한 이 인공 근육이 5kg 하중을 지탱할 수 있다. 자기 무게의 약 4000배를 버티는 셈이다. 반면 부드러운 상태에서는 12배까지 늘어난다.

이 근육은 무게를 들어올리는 과정에서 원래 길이의 86.4%가 수축되는 구동 변형률을 보였는데, 사람 근육(약 40%)보다 두 배 이상 큰 수치다. 작업밀도도 사람 근육보다 30배 더 큰 1150 kJ/㎥를 기록했다. 작업 밀도는 1㎥ 크기의 근육이 얼마나 많은 일(에너지)을 할 수 있는지를 보여주는 지표다. 근육이 잘 변형되면서 단단할수록 작업 밀도가 커지는데, 일반적으로 두 조건은 서로 상충한다.

연구팀은 근육 안에 두 가지 형태의 결합이 나타나도록 형상기억고분자 소재를 설계해 이 문제를 해결했다. 근육의 화학적 결합은 근육의 고분자 사슬을 공유결합으로 단단히 묶어 구조적 강도를 유지하게 하고, 물리적 결합은 열 자극에 따라 끊어졌다 다시 이어지며 근육을 유연하고 잘 늘어나게 만든다. 또 표면을 특수 처리한 자성 입자를 넣어 물리적 결합을 강화하고, 외부 자기장으로도 근육이 움직일 수 있도록 했다. 실제 자기장으로 근육을 움직여 물체를 집는 실험에도 성공했다.

정훈의 교수는 “이번 연구는 기존 인공근육이 잘 늘어나면 힘이 약하고, 힘이 세면 잘 안 늘어난다는 근본적 한계를 해결한 성과”라며, “앞으로 소프트 로봇, 웨어러블 로봇, 사람과 기계가 유연하게 상호작용할 수 있는 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 2025년 9월 7일 온라인 게재됐다.

jiany@fnnews.com 연지안 기자