▲ 인공근육을 적용한 로봇 물고기

스위스 취리히연방공대(ETH Zurich) 연구팀이 가볍고, 안전하며, 보다 튼튼한 성능의 인공근육을 개발했다고 30일 밝혔다.

연구팀에 따르면 인공근육을 개발하는 게 새로운 아이디어는 아니지만 지금까지 실현하는 데 큰 장애물이 있었다. 정전기 액추에이터(electrostatic actuators)를 작동하는데, 약 6000~1만 볼트 정도의 극도로 높은 전압을 요구했다는 것. 이 같은 요구 사항은 여러 가지에 영향을 미쳤다. 예를 들어 인공근육을 크고 무거운 전압 증폭기에 연결했으나 물에선 작동하지 않았으며, 사람에게 완전히 안전하지는 않았다는 것이다.

로버트 카츠슈만 취리히연방공대 로봇공학 교수는 이런 문제에 해결책을 줄수 있는 새로운 인공근육을 개발하고 전문 학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 연구 논문을 발표했다.(논문 제목:Low-voltage electrohydraulic actuators for untethered robotics)

새로운 인공근육은 ’HALVE(hydraulically amplified low-​voltage electrostatic) 액추에이터‘를 기반으로 동작한다. 일반적으로 인공근육은 세포나 섬유로 이뤄진 것이 아니라, 액체로 가득찬 주머니(pouch) 형태를 이루고 있다. 주머니의 쉘(shell) 부분은 일부 전극으로 덮여 있다.

연구팀은 주머니를 위한 새로운 쉘을 설계했다. "다른 액추에이터는 전극이 쉘의 외부에 있는데 반해 우리의 쉘은 다른 층으로 구성된다. 우리는 상대적으로 많은 양의 전기에너지를 저장할 수 있는 고유전율 ’강유전체 물질(ferroelectric material)‘을 채택해 전극 층과 결합했다. 이어 우수한 기계적 특성을 갖고 있으며 주머니를 더 안정적으로 만들어주는 폴리머 쉘로 코팅했다“고 연구팀은 설명했다. 강유전체 물질의 유전율이 높아지면 낮은 전압에도 불구하고 큰 힘을 낼 수 있다는 것이다.

▲ 인공근육의 구조와 작동 원리 이미지

연구팀은 HALVE 액추에이터 쉘을 개발했을 뿐만 아니라, 2대의 로봇에서 사용할 액추에이터를 직접 만들어 테스트했다. 첫 번째 로봇은 두 개의 손가락을 갖고 있는 11cm 높이의 그리퍼다. 각각의 손가락은 HALVE 액추에이터와 연결된 세 개의 주머니에 의해 움직인다. 작은 배터리로 작동되는 전원공급장치는 로봇에게 900 볼트의 전압을 제공한다. 전원과 제어 전자장치를 포함한 전체 그리퍼의 무게는 45g에 불과하다. 이 그리퍼는 부드러운 플라스틱 물체를 단단하게 잡고 들어올리는 동작을 감당할 수 있다.

두 번째 로봇은 물에서 부드럽게 움직이는 약 30cm 길이의 물고기 로봇이다. 이 로봇은 전자장치가 들어 있는 ’머리‘와 HALVE 액추에이터가 부착돼 있는 유연한 ’몸체‘로 이뤄져 있다. 이 자율 물고기 로봇은 정지 상태에서 초당 3cm의 속도로 움직일 수 있다. 연구팀은 이 로봇이 HALVE 액추에이터의 또 다른 새로운 특징을 보여준다고 설명했다. 전극이 더 이상 쉘 바깥에서 보호되지 않는다는 것이다. 이에 따라 인공근육은 방수 기능을 갖추고, 전도성 액체에서도 사용될 수 있다는 것이다.

로버트 카츠슈만 교수는 "이 물고기는 HALVE 액추에이터의 일반적인 장점을 보여준다. 전극은 환경으로부터 보호되고, 반대로 환경은 전극으로부터 보호된다. 예를 들어, 물에서 정전기 액추에이터를 작동시키거나 만질 수 있다"고 말했다.

연구팀은 향후 이 인공근육 기술이 웨어러블 로봇, 보철 장치 등에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.