KRICT 한국화학연구원

 - 기존 광화학 액추에이터(인공 근육) 대비 3배 높은 수축-이완 거리, 2배 높은 구동 성능 확보
 - 기존 열·전기 기반 액추에이터와 달리 물속에서 작동 가능, 수축·이완 동작 방향 조절로 복잡한 구동 가능
 - 원격 소프트 로봇 등 소형 장치 외에도, 의료, 국방, 및 극한 환경용 구동기 등 다양한 분야 활용 기대

□ 국내 연구진이 물속에서도 자유롭게 작동하는 광(光)화학 기반 소프트 로봇용 인공 근육을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김현 박사와 부산대학교(총장 최재원) 이하범 교수, 미국 Texas A&M(텍사스 에이 앤 엠) 대학교 Taylor H. Ware(테일러 에이치 웨어) 교수 공동 연구팀은 빛으로 움직이는 결정성 액정 탄성체 기반의 수중 로봇용 인공 근육을 개발했다.

<[그림 5] AC-LCE 소재로 만든 스프링 구조 인공 근육에 자외선을 비춰 동작을 유도하는 모습>

□ 기존 소프트 로봇용 동력 장치는 전기·공압·유압·열 등을 이용하여 구동되는데, 배터리, 모터, 기어 등 복잡한 부품이 물에 노출되면 안정적으로 작동을 제어하기 어려워 물속에서 사용에 제약이 있었다. 이에 빛을 이용해 변형을 유도하는 광열 또는 광화학 소재가 주목받았다.

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

  ㅇ 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 구현이 필요했던 것이다.

□ 연구팀은 ‘아조벤젠 기능화된 결정성 액정 탄성체(AC-LCE)’ 소재를 활용해 물속에서 더 많은 형태 변형과 강력한 운동 능력을 구현했다.
     * Azobenzene-Functionalized Semicrystalline Liquid Crystal Elastomer, AC-LCE

<[그림 2] 결정성 액정 탄성체 스프링 인공근육 연구 개괄도>

  ㅇ 액정 탄성체는 소재 안의 분자 배열을 정밀하게 설계할 수 있어서, 작은 자극만으로도 크게 움직일 수 있는 특징이 있다. 반면 마치 고무줄처럼 말랑말랑한 특성 때문에 물체를 움직이는 힘이 비교적 약하고 강성도 부족하여, 스프링 구조 같은 형태로는 활용이 힘들었다.  

  ㅇ 연구팀은 강성이 조절되는 새로운 액정 고무 소재를 만들고 여기에 광화학 분자 ‘아조벤젠’을 넣어, 빛을 받으면 움직이도록 만들었다. 기존 광열 소재와 달리 이번 AC-LCE 소재는 빛을 꺼도 바로 원래대로 돌아가지 않고 일정 시간 동안 수축 또는 이완된 상태를 고정할 수 있다. 이런 ‘구동 자물쇠’를 인공 근육 부위별로 적용하자 원하는 동작 순서와 위치를 조절할 수 있었다.

<[그림 4] “구동 자물쇠“ 구현 및 빛에 의한 소프트 로봇의 순차적 공간적 구동 컨트롤>

  ㅇ 연구팀은 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 강했다. 

  ㅇ 또한 AC-LCE 소재는 인공 근육의 특정 구조(호모키랄, 헤테로키랄)를 설계하여 확장 및 수축 동작 방향 또한 자유롭게 조절할 수 있다. 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 보여주었다. 이때 배터리, 기계장치, 와이어, 펌프 등 어떠한 연결 없이도 빛 만으로 100회 이상 반복적으로 조작할 수 있었다.

<[그림 3] 스프링 구조 설계에 기반한 구동 방향 컨트롤>

□ 연구팀은 다양한 응용 분야에 적용하기 위한 융합 연구 및 대량 소재 생산 기술 등 추가연구를 통해 2030년 이후 실용화를 목표로 하고 있다.

  ㅇ 연구진은 “이번 연구는 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.”라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “이 기술이 발전하면 첨단 로봇, 헬스케어 기기 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

  ㅇ 이번 논문은 2025년 2월 국제 학술지 ‘스몰(Small(IF: 13))’에 후면 표지 논문으로 게재되었다. 화학연 김현 박사와 부산대 이하범 교수, 미국 Texas A&M 대학교 Taylor H. Ware 교수가 교신저자로 참여했고, 부산대 서원빈 학생이 1저자로 참여했다. 이번 연구는 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 국제협력사업, 및 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

* (논문 DOI 주소) https://doi.org/10.1002/smll.202406493

<[그림 1] Small 2025년 2월 후면 표지 논문>