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| ▲ 영화 로보캅 2014의 한장면 © TIN 뉴스 | |
국내 학자 포함한 국제공동연구팀 인간근육 강도 100배의 인공근육 개발
낚싯줄과 재봉실 이용 강력한 인공근육 전환한 연구결과 ‘사이언스’ 발표
래이 바우먼(텍사스 주립대 화학과 교수, 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소장)교수가 이끈 국제공동연구팀이 일상생활에서 흔히 사용되는 낚싯줄과 재봉실을 이용해 강력한 인공근육으로 전환할 수 있는 연구결과를 21일 세계적인 학술지 ''사이언스(Science)''를 통해 발표했다.
한양대 의생명공학전문대학원 생체의공학과 김선정 교수와 부산대 출신 물리학자 오지영 박사 등 국내 과학자 3명을 포함해 미국, 호주, 캐나다, 터키, 중국 연구팀이 공동으로 참여한 국제공동연구팀은 평범한 낚싯줄과 재봉실에 비틀림을 추가해 인위적인 꼬인 구조를 만들어 주면 다양한 형태의 에너지 자극에 반응하는 인공 근육의 특성을 보인다는 것을 발견했다.
| ▲ 사진 좌측부터 한양대 김선정 교수, 오지영 알렌 맥달마이드 나노텍 연구원, 바우먼 연구소장 © TIN 뉴스 | |
연구팀에 따르면 두껍게 꼬아진 고무줄처럼 나선형으로 감긴 인공근육은 외부에서 열이 가해질 경우 수축하고 열원을 제거하며 다시 초기 상태로 돌아온다. 인위적인 꼬임이 추가되기 전의 비틀림 방향과 추가된 꼬임의 비틀림 방향을 반대로 조절할 경우 인공근육은 온도가 올라가도 수축이 아닌 이완을 보여준다.
열 에너지를 이용하는 인위적으로 꼬인 코일트된(감긴) 구조의 인공근육은 직접적인 온도 변화뿐만 아니라 전기적 자극, 빛의 흡수, 화학 반응에 대해서도 뛰어난 특성을 보여준다.
| ▲ 온도에 따라 변하는 인공 근육 © TIN 뉴스 | |
새로운 형태의 이러한 인공 근육은 1만rpm(1분당 1만 회) 이상의 회전력을 발생시킬 수 있다. 같은 무게의 실제 인간의 근육과 비교할 때 100배나 더 무거운 무게를 들어 올리고 100배나 더 큰 힘을 낼 수 있다.
인공근육 1㎏은 무려 7.1마력의 힘을 생성하는데 이는 비행기의 제트 엔진이 발생시킬 수 있는 일률과 같다. 최대 20% 정도 수축할 수 있는 실제 인간의 근육과 비교하면 새로운 형태의 인공근육은 길이 방향으로 최대 50%까지 수축할 수 있다. 수백만번의 수축 이완 운동이 되풀이되는 동안 이러한 특성은 유지됐다.
| ▲ 낚싯줄·재봉실 등으로 쓰이는 나일론을 꼬아 만든 인공근육. 위쪽부터 지름 150㎛, 280㎛, 860㎛, 2.45 ㎜ 짜리다(1㎛=1000의 1㎜). <사진 사이언스> © TIN 뉴스 | |
사람의 머리카락보다 더 얇게 제작될 수 있는 이러한 인공 근육은 휴머노이드 로봇들의 섬세한 표정 표현을 가능하게 한다. 그리고 소형 인공 근육이면서도 정교하게 조절되는 특성은 수술범위를 최소화하려는 다양한 외과 수술용 로봇과 미니어처 칩의 제작에 적합할 뿐만 아니라 인간과 로봇 사이의 교감 센서로도 응용할 수 있다.
이번 연구의 책임자인 레이 바우만 교수는 "이번에 개발된 인공 근육의 응응분야는 광범위할 것"이라며 "오늘날 대부분의 휴머노이드 로봇, 인공 보조장치, 착용 가능한 엑소스켈레톤(외골격) 연구 분야가 모터 및 관련 유압 장치의 소형화와 경량화에 대한 한계로 실용화에 어려움을 겪고 있었다"고 말했다.
또 "사람 머리카락의 10배 굵기의 꼬인 고분자 낚싯줄 100가닥으로 만들어진 인공 근육은 무려 0.73t의 무게를 감당할 수 있기 때문에 영화 슈퍼맨에게서처럼 강한 힘이 요구되는 로봇 또는 엑소스켈레톤 분야에 바로 사용될 수 있다"고 덧붙였다.
엑소스켈레톤의 발전된 예로는 영화 ''아이언맨''의 로봇수트를 들 수 있으며 관련 분야에서는 실제 일상생활에서 신체가 마비됐거나 팔다리가 없는 환자들이 로봇 팔, 다리 등으로 제작된 ''엑소스켈레톤''을 착용해 정상인처럼 활동하는 일이 가능할 것으로 보고 연구를 진행하고 있다.
그뿐만 아니라 연구팀은 기본적으로 열에너지에 의한 온도 변화로 반응하는 인공 근육의 특성처럼 외부 온도변화에 따라 섬유 사이의 공간이 자동 조절되는 스마트 직물, 진동이나 소음이 발생되는 추가 장치 없이 자동 조절 가능한 미래형 창문, 온도 조절 장치 또는 개폐 조절 시스템 등 다양한 응용 방법을 논문을 통해 제시했다.
| ▲ 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소 © TIN 뉴스 | |
연구에 참여한 오지영 박사는 "지금까지의 탄소나노튜브섬유 관련 연구 성과들을 평범한 일상 재료이자 단가가 비교할 수 없게 낮은 나일론 섬유를 통해 구현할 수 있다는 점이 흥미로웠다"며 "이 연구 결과가 의학의 발달로 인한 생명연장의 결과인 고령화 사회를 뒷받침할 수 있는 로봇 기술의 실용화와 응용 범위 확대에 큰 도움이 되길 바란다"고 말했다.
한양대 의생명공학전문대학원 생체의공학과 김선정 교수도 “지금껏 나온 인공근육 중 성능이 가장 좋고 실용화에 가장 근접했다”고 평가했다.
한편, 이번에 나일론으로 인공근육을 개발한 바우먼 교수팀은 앞서 지난 2012년에 새로운 인공 근육 형태인 탄소나노튜브섬유가 자신의 무게보다 10만 배나 무거운 물체를 들어 올릴 수 있고, 같은 무게를 가지는 인간의 근육과 비교할 때 85배나 더 강한 힘을 구현할 수 있음을 증명했다.
2013년에는 미국 국립 에너지부의 로렌스 버클리 국립연구소 소속 과학자들이 바나듐 이산화물(Vanadium dioxide)이라는 물질을 이용해 인간의 근육보다 1천 배나 강한 일명 ‘터미네이터 인공 근육’을 만들었다.
이처럼 인공근육에 대한 연구결과가 빠르게 진행되고 있어 관련 업계나 학계뿐만 아니라 실제 아이언 맨 탄생 가능성에 대한 일반인들의 관심도 높아지고 있다.
자료출처: tinnews
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BFC News
