나비처럼 우아한 날갯짓 가능한 인공근육 탄생

나뭇가지에 앉은 나비? 잘 보면 진짜 나비가 아니다. 하지만 나비처럼 우아하게 날갯짓을 할 수 있다. 사이언스 로보틱스 제공
나비가 나뭇가지에 앉아 있다. 우아하게 날갯짓을 한다. 자세히 보니 진짜 나비가 아니다. 나비 날개를 단 작은 기계였다. 나비뿐만이 아니다. 가지 끝에 매달린 나뭇잎이 바람에 살랑이는 동작, 꽃이 탐스런 봉우리를 활짝 여는 동작이 기계의 움직임으로 부드럽게 재현됐다.

이렇게 자연계에서는 흔하지만 로봇이 내기는 어려웠던 가볍고 부드러운 움직임을 구현하는 새로운 로봇용 인공근육 기술을 국내 연구팀이 개발했다.

오일권  KAIST  기계공학과 교수와 시마 움라오 연구원팀은 낮은 전력으로 움직이고 부드러운 형태로 변환할 수 있는 새로운 인공근육(소프트 액추에이터)를 개발해 로봇 분야 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 22일자에 발표했다.

오 교수팀은 기존의 딱딱한 금속성 로봇 대신 천이나 고무 등 부드러운 소재를 이용하는 ‘소프트로봇’을 만들기 위해 이 기술을 개발했다. 기존에는 소프트로봇을 움직이는 기술로 형상기억합금 등 환경에 따라 움직임이나 형태가 변화하는 소재를 이용하는 방법과, 마치 풍선을 불 때처럼 공기를 집어 넣어 특정 부분을 부풀리는 방법으로 움직임을 유도하는 방법이 널리 쓰였다.

하지만 형상기억합금은 사용 환경의 제약이 있고, 공기를 쓰는 방법은 크기가 크고 전기를 많이 쓴다는 단점이 있었다. 전기적 성질을 띤 입자(이온)를 이용해 고분자 물질의 형상을 변형시키는 이온성 인공근육 기술도 연구되고 있지만, 아직 수명이 짧고 변형률이 작아 실용성이 떨어진다.

맥신을 이용한 부드러운 인공근육을 이용해 다양한 키네틱 아트를 시도했다. 한국연구재단 제공 연구팀은 금속처럼 전기가 잘 흐르고 표면의 기능을 제어할 수 있는 나노 신물질인 ‘맥신’을 전극 소재로 활용해 최고 수준으로 구부러질 수 있는 인공근육을 만들었다. 맥신은 탄소 및 질소 화합물이 얇은 면 형태의 구조를 갖는 나노 신소재다. 연구팀은 맥신을 전기가 통하는 고분자와 결합시켜 부드럽고 잘 휘는 전극을 제작했다. 그 결과 건전지 1개보다 낮은 1볼트(V) 이하의 낮은 전압만으로 문어 다리처럼 180도 구부러지는 고성능 인공근육을 완성했다. 전압을 가하면 1초 만에 반응해 빠른 움직임이 가능하고, 1만 8000번 이상 구부렸다 펴도 성능 변화가 없을 만큼 안정적이었다.

연구팀은 개발한 인공근육으로 나비의 날갯짓이나 꽃이 펴는 모습, 나뭇잎이 살랑이는 모습을 예술적으로 표현해, 이 기술이 ‘움직이능 예술(키네틱 아트)’에 활용될 수 있다는 사실도 보였다. 오 교수는 “기존 인공근육은 구부러지는 정도가 약했고 수명이 짧았는데 이 문제를 해결했다”며 “부드러운 움직임이 필요한 자연모사로봇과 헬스케어 전자기기, 키네틱아트 등에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

[윤신영 기자  ashilla @ donga.com ]