한국과학기술원(KAIST)의 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 최근 소프트 로봇과 웨어러블 장치 등에 사용되는 이온성 고분자 인공 근육을 이용한 유체 스위치를 개발했다고 4일 밝혔다.

해당 기기는 기존 의료기기 등에 사용되는 인공 근육보다 훨씬 적은 전력으로도 구동이 가능하며, 동일 무게 대비 34배의 힘을 출력할 수 있는 것으로 알려졌다.

유체 스위치란 유체가 특정 방향으로 흐르게 제어해 다양한 움직임을 유발하는 장치이다.

해당 유체 스위치를 통해 인간의 근육을 모방한 인공 근육을 제어하면 전통적인 모터보다 유연하고 자연스러운 움직임을 제공할 수 있다.

특히 사람과 같은 움직임을 재현하기 위해서는 전기, 공기 압력, 온도 변화 같은 외부 자극 반응을 얼마나 정교하게 제어하는지가 중요하다.

기존 모터 기반 스위치의 경우 재질의 구성이 딱딱하고 큰 부피로 제한된 공간에서 사용하는데 한계가 존재했다.

이에 연구팀은 좁은 관 속에서도 큰 힘을 내며 유체 흐름을 제어할 수 있는 이온성 고분자 인공 근육을 개발해 소프트 유체 스위치를 제작했다.

KAIST가 개발한 초저전력 인공근육 소자 [KAIST 제공]

이온성 고분자 인공 근육은 금속 전극과 이온성 고분자로 구성되어 있으며, 전기에 반응하기 때문에 힘과 움직임을 발생시킨다.

또 전류 반응성이 매우 높아 0.01V(볼트) 이하의 초저전력에서도 구동하며 무게 대비 큰 힘을 낼 수 있도록 인공 근육 전극 표면에 유기 분자를 결합해 다공성 공유결합 유기 골격구조체(pS-COF)를 사용했다.

결과적으로 해당 근육은 머리카락 정도의 얇은 두께 기준 10mg의 자체 무게 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"라고 강조했다.

이어"스마트 섬유에서 생체 의료 기기에 이르기까지 초소형 전자 시스템에 쉽게 적용해 다양한 산업현장에서 즉시 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.