전남대 로봇연구소, 생체소재 기반 인공근육 성능의 한계 돌파구 마련

전남대 로봇연구팀이 개발한 인공근육 구성도 및 작동 원리

전남대학교 로봇연구소 최은표 교수 연구팀과 중국 절강이공대학(Zhejiang Sci-Tech U.) 친추안리(Qinchuan Li), 판왕(Fan Wang) 교수 연구팀은 공동연구를 통해 매우 낮은 전압에서 세계 최고의 변형률을 갖는 생체소재 기반 인공근육을 개발했다고 13일 밝혔다.

이번 연구 성과는 소프트로봇(soft robotics) 분야의 핵심기술로, 기존 생체소재 기반의 인공근육 기술의 ‘높은 구동전압 및 낮은 반응속도’ 문제를 해결할 수 있는 원천기술로 우수한 평가를 받았다.


소프트로봇은 문어, 물고기 혹은 미생물 등 유연한 동물의 움직임을 모방해 유연하게 자유자재로 형태가 변하는 특징이다. 이번 연구 성과로 의료, 재활, 웨어러블 로봇 등의 분야에서 전통적인 금속 로봇의 결점을 극복할 것으로 기대된다.

해당 분야 연구자들은 소프트로봇을 구동키 위해 저소음, 저진동, 낮은 전력소비량 등의 특성을 갖는 이온성 소프트 액추에이터 개발에 주목하고 있다. 특히, 웨어러블 및 인체 내 삽입이 가능한 의료용 소프트로봇 개발을 위해 인체 친화적인 생체소재를 기반으로 하는 소프트 액추에이터, 이른바 인공근육 개발에 박차를 가하고 있다.

현재까지의 생체소재를 기반으로 한 이온성 소프트 액추에이터는 매우 낮은 변형률과 반응속도, 그리고 짧은 수명으로 소프트로봇에 응용하는데 한계가 있었다.

공동 연구팀이 생분해·생적합성 소재인 박테리아 셀룰로스 기반의 소프트 액추에이터에 전도성 고분자인 폴리피롤(Polypyrrole)을 코팅해 세계 최고 수준의 변형률과 반응 속도를 갖는 이온성 소프트 액추에이터(인공근육)을 개발했다.


연구팀은 높은 전도성을 갖는 폴리피롤(Polypyrrole) 나노입자를 코팅하고 추가로 부드럽고 유연한 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 코팅해 유연 전극으로 활용한 결과, 낮은 구동전압(0.5V)일 때 높은 변형률(0.93%)과 빠른 반응속도(4초)를 얻었다.

이 결과는 현존하는 생체소재 기반 이온성 소프트 액추에이터 중 가장 높다. 또한, 0.5V, 0.1Hz 주기로 5시간의 장시간 구동한 결과 성능 변화가 거의 없이 안정적이었다.

이번 연구는 보건복지부의 ‘마이크로의료로봇 실용화기술개발사업’ 중 ‘마이크로의료로봇 실용화 공통기반 기술개발 센터(총괄책임자 박종오)’와 중국 국립자연과학재단 등의 지원으로 수행됐다.

연구 성과는 소재분야 저명 국제학술지인 'Advanced Functional Materials'(영향력 지수 16.836) 2021년 31호 (3월 24일) 표지 논문으로 선정된 바 있다.

최은표 전남대 교수는 “이 기술은 의료용 수술로봇, 헬스케어용 웨어러블 장치 등 다양한 분야에서 핵심원천기술로 활용될 것으로 기대된다”며 “실용화를 위해서는 높은 변형률 뿐 아니라 큰 힘을 낼 수 있는 연구도 계속 진행돼야 한다”고 말했다.