"모터 없이 1초 만에 작동"… 외부 자극에 스스로 움직이는 로봇팔 등장 예고

열 자극만으로 형태 변형·복원하는
형상기억 '스마트 액추에이터' 개발
차세대 로봇, 우주 구조물 적용 가능

양방향 형상기억 하이브리드 스마트 액추에이터를 개발한 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 기계공학과 연구팀. 왼쪽부터 배상윤 박사과정생, 김성수 교수, 강다정 박사과정생, 김원빈 연구원. 카이스트 제공

모터 없이도 열과 같은 외부 자극에 반응해 스스로 움직이는 로봇 구동 기술이 개발됐다. 복원력이 강한 금속과 잘 휘어지는 고분자 물질을 결합해, 가볍고 단순한 구조로 빠르고 정확하게 움직이는 로봇 손을 구현할 수 있게 된 것이다.

김성수 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 기계공학과 연구팀은 열에 반응해 형태를 바꾸고 다시 원래 상태로 돌아오는 '양방향 형상기억 물질 기반 하이브리드 액추에이터'를 개발했다고 22일 밝혔다.

형상기억 소재는 대부분 한 방향으로만 변형되거나 복원 속도가 느리다는 한계가 있다. 특히 금속과 고분자 물질을 결합한 소재는 가열할 때는 충분히 변형돼도 식은 다음에는 원래 형태로 돌아오지 못하거나, 복원 과정이 지나치게 빨라 변형이 충분히 이뤄지지 않는 문제가 생겼다. 이 같은 불균형이 반복되면 오차가 누적되기 때문에 로봇 같은 실제 구조물에 적용하기 어렵다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 소재와 구조를 동시에 개선했다. 먼저 고분자 물질의 화학 조성을 조절하고 탄소섬유를 보강해 복원 성능을 향상시켰다. 또 변형 과정에서 탄성 에너지를 저장하는 기법(테이프 스프링)과 에너지가 임계점에 이르면 빠르게 방출하는 메커니즘(스냅-스루)을 액추에이터에 적용했다. 그 결과, 열을 가하면 구부러지고 온도가 낮아지면 펴지는 양방향 구동이 구현됐다. 1초 이내에 형상이 변하고, 초기 형태로 100% 돌아오는 성능도 입증했다.

이번 연구는 소재 중심 액추에이터 기술의 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 복잡하고 무거운 기계 장치 없이 움직이는 구조여서 에너지 효율을 높이고 시스템 경량화에도 기여할 것으로 예상된다. 김 교수는 "소재가 지닌 한계를 독창적 구조 설계로 극복했다"면서 "반복 동작이 필요한 로봇 손이나 우주용 전개 구조물 등 여러 분야에 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'에 표지 논문으로도 실렸다.

김태연 기자 tykim@hankookilbo.com