[지금은 과학] 초소형·초경량 로봇에 필요한 연성 구동기 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 초소형 수상로봇 제작을 위한 연성 구동기를 국내 연구팀이 개발했다. 이 구동기를 응용하면 차세대 초소형, 초경량 로봇은 물론 의료용 장치에 적용할 수 있다.

조진한 교수(고려대) 연구팀과 고제성 교수(아주대) 연구팀이 고전도·고신축성 하이드로젤 전극을 제작할 수 있는 기술을 확보해 고성능·저전력 연성 구동기와 초소형 수상로봇 개발에 성공했다.

연성 구동기는 단단하고 부피가 큰 모터가 아닌 부드러운 재료로 이뤄진 구동기(Soft actuator)를 말한다.

하이드로젤은 기능성과 자극응답성이 우수해 차세대 초소형 로봇 구동기의 핵심 재료로 주목받고 있다.

기존 하이드로젤 구동기는 외부자극을 주면 내부 삼투압이 변화하는 원리를 이용하기 때문에 구동속도가 느리다. 움직임 조절이 어려워 복잡한 로봇 시스템에 적용하는 데 한계가 있다.

전기적 자극을 사용하면 성능 향상의 가능성이 있는데 수분 함유량이 많은 하이드로젤 특성 상 효율적 전기 자극을 가할 수 있는 방법이 제한된다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 하이드로젤 표면에 전극층을 균일하게 도포하고 하이드로젤의 수축현상을 이용해 주름진 전극을 제작했다. 이를 통해 높은 전기 전도도와 신축성을 동시에 확보하는 데 성공했다. 이를 연성 구동기로 사용하는 것이 가능함을 확인했다.

기존 연성 구동기는 1천볼트(V) 이상의 높은 전압이 필요한 것에 비해 개발한 연성 구동기는 3볼트 이하의 낮은 전압에서도 동작이 가능하다. 성능 측면에서도 100배 이상의 에너지 밀도와 10배 이상의 출력 밀도를 가진다.

개발한 연성 구동기는 작은 배터리만으로도 높은 성능을 발휘하기 때문에 초소형·초경량 로봇에도 응용이 가능하다. 연구팀은 이를 실제 로봇에 적용해 물속에서도 동작이 가능한 초소형 수상로봇 제작에도 성공했다.

조진한 교수는 “이번 연구 성과로 밝혀낸 작동원리는 세계 최초로 보고된 것”이라며 “저전압·저전력으로 작동하는 연성 구동기는 앞으로 다양한 소형 환경탐사로봇, 의료용 장치 등에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.

고제성 교수는 “하이드로젤 전극 제작기술은 기능성 하이드로젤을 보다 쉽게 전자 소재화 할 수 있는 기술로 다양한 형태의 차세대 소재연구에 도입할 수 있다”고 전했다.

연구 성과(논문명: High-performance electrified hydrogel actuators based on wrinkled nanomembrane electrodes for untethered insect-scale soft aquabots, 제1저자 고종국 고려대 교수)는 국제학술지인 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 10월 27일자에 실렸다.