한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 소프트 로봇, 의료기기, 웨어러블 장치 등을 초저전력으로 구동하며 무게 대비 34배의 큰 힘을 내는 이온성 고분자 인공 근육을 이용한 유체 스위치를 개발했다고 밝혔다.

4일 연구팀에 따르면 유체 스위치는 유체가 특정 방향으로 흐르게 제어해 다양한 움직임을 유발하게 한다.

인공 근육은 인간의 근육을 모방한 것으로 전통적인 모터보다 유연하고 자연스러운 움직임을 제공하는 소자다.

전기, 공기 압력, 온도 변화 같은 외부 자극에 반응해 움직임을 만들어 내는데, 인공 근육을 활용하기 위해서는 이 움직임을 얼마나 정교하게 제어하는지가 중요하다.

기존 모터 기반 스위치는 딱딱하고 큰 부피로 제한된 공간에서 사용하는데 어려웠다.

연구팀은 좁은 관 속에서도 큰 힘을 내며 유체 흐름을 제어할 수 있는 이온성 고분자 인공 근육을 개발해 소프트 유체 스위치로 활용했다.

이온성 고분자 인공 근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 구성돼 전기에 반응해 힘과 움직임을 발생시킨다.

초저전력(0.01V 이하)에서 구동하면서 무게 대비 큰 힘을 낼 수 있도록 인공 근육 전극 표면에 유기 분자를 결합해 만든 다공성의 공유결합성 유기 골격구조체(pS-COF)를 사용했다.

그 결과, 머리카락 정도의 얇은 두께로 제작된 인공 근육은 가벼운 무게(10mg) 대비 34배 이상의 큰 힘을 내며 부드러운 움직임을 보였다.

이를 통해 연구팀은 낮은 전력으로 유체 흐름 방향을 정교하게 제어하는 데 성공했다.

오일권 교수는 "초저전력으로 작동하는 전기화학적 연성 유체 스위치는 유체 제어를 기반으로 하는 소프트 로봇, 소프트 일렉트로닉스, 미세유체공학 분야에서 많은 가능성을 열어줄 수 있다"며 "스마트 섬유에서 생체 의료 기기에 이르기까지 초소형 전자 시스템에 쉽게 적용해 다양한 산업현장에서 즉시 활용할 수 있는 잠재력이 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 2023년 12월 13일에 국제 학술지 '사이언스 어드밴스드'에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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