“고무처럼 늘어났다가 강철처럼 단단해져” 국내 연구팀, 인공근육 개발

고무처럼 늘어났다가도 강철처럼 단단하게 변하는 소프트 인공근육이 나왔다.

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 역할에는 방해가 되기 때문이다.

이에 울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수 연구팀은 하중을 지탱해야 하는 상태에서는 딱딱해지고, 이를 들어올려야 하는 상황에서는 부드러워져 수축할 수 있는 인공 근육을 만들었다.

딱딱한 상태에서는 무게 1.25g에 불과한 이 인공 근육이 5㎏ 하중을 지탱할 수 있다. 자기 무게의 약 4000 배를 버티는 셈이다. 반면, 부드러운 상태에서는 12배까지 늘어난다.

또 무게를 들어 올리는 과정에선 원래 길이의 86.4%가 수축하는 구동 변형률을 보였는데, 사람 근육(약 40%)보다 두 배 이상 큰 수치다. 1㎥ 크기의 근육이 얼마나 많은 일(에너지)을 할 수 있는지를 보여주는 지표인 작업 밀도도 사람 근육보다 30배 더 큰 1150kJ/㎥를 기록했다.

근육이 잘 변형되면서 단단할수록 작업 밀도가 커지는데, 일반적으로 잘 변형되면서 단단해지는 성질을 지니기가 쉽지 않다.

정 교수팀은 근육 안에 두 가지 형태의 결합이 나타나도록 형상기억고분자 소재를 설계해 이 문제를 해결했다.

근육의 화학적 결합은 고분자 사슬을 공유결합으로 단단히 묶어 구조적 강도를 유지하게 하고, 물리적 결합은 열 자극에 따라 끊어졌다 다시 이어지며 근육을 유연하고 잘 늘어나도록 만든 것이다.

또 표면에 특수 처리를 한 자성 입자를 넣어 물리적 결합을 강화하고, 외부 자기장으로도 근육이 움직일 수 있도록 했다. 실제 자기장으로 근육을 움직여 물체를 집는 실험에도 성공했다.

정 교수는 "이번 연구로 기존 인공근육의 근본적 한계를 해결했다"며 "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 최근 게재됐다.