서울대학교 공과대학은 선정윤 재료공학부 교수와 김호영 기계공학부 교수 연구팀(제1저자 : 나현욱, 강용우, 박창서, 정소현 연구원)이 벽돌도 깰 만큼 큰 힘을 짧은 시간에 내는 소프트젤 액추에이터를 개발했다고 15일 밝혔다.

이번에 개발된 소프트젤 액추에이터는 질긴 세포벽 안에 말랑말랑한 물질이 든 식물의 세포 구조에서 착안해 기존의 젤보다 훨씬 큰 힘을 빠르게 낼 수 있는 점이 특징이다.

소프트 액추에이터는 유연하고 신축성 있는 재료로 만든 구동 장치로, 소프트 로봇의 움직임을 담당한다. 특히 하이드로젤은 뛰어난 생체 적합성 및 자극 응답성을 갖춰 미래형 로봇을 위한 소프트 액추에이터의 재료로 주목받고 있다. 하지만 기존 소프트젤 액추에이터들은 근본적으로 느리고 약하다는 한계가 있어, 인공 근육이나 생체 모방형 로봇 등의 미래 산업 분야에 활용하기 힘든 단점이 있었다.

선정윤-김호영 교수 연구팀이 개발한 소프트젤 액추에이터는 단순한 구조와 함께 외부 동력원 없이도 매우 큰 힘을 낼 수 있다. 식물 세포는 세포 안으로 물이 빨려 들며 올라가는, 내부 압력을 질긴 세포벽이 견딜 수 있으며 그 힘은 뿌리가 돌을 뚫고 자랄 정도로 크다. 식물 세포의 세포벽에서 착안해 선택적 투과성 막으로 하이드로젤을 감싼 구조로 디자인됐다. 수중 환경에서 삼투압에 의해 하이드로젤이 팽창하면서 외부 동력원 없이도 약 1g의 하이드로젤이 무려 130kg의 무게를 들 수 있다. 이는 기존 젤 기반 액추에이터보다 출력 밀도가 10만 배가량 큰 결과다.

또한 외부 동력원으로 전기장을 활용하면, 삼투에 전기 삼투를 더 해 빠른 속도로 큰 힘을 발생하며 구동할 수 있다. 연구팀은 전기장을 활용해 무게 약 1g의 하이드로젤을 이용한 액추에이터로 2cm 두께의 벽돌을 5분 안에 부수는 것을 보여줬다.

▲ 선정윤 재료공학부, 김호영 기계공학부 서울대 공대 교수 연구팀이 개발한 하이드로젤 팽압 액추에이터의 구동 원리 모식도

연구팀은 이번 연구에서 개발한 소프트젤 액추에이터의 뛰어난 휴대성과 고출력 구동을 활용하면, 단단한 구조체를 형성해 복잡하고 무거운 과정 없이 플로팅 건축물 및 해저 도시 건설 등에 활용할 수 있을 것이라고 연구의 응용 가능성을 설명했다. 이번 연구 결과로 하이드로젤 및 소프트 로봇의 활용 영역을 크게 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

선정윤 교수와 김호영 교수는 “소프트젤 액추에이터의 근본적인 한계를 극복한 연구로써, 고출력 밀도(High-power-density)의 소프트 액추에이터 제작의 기반 기술이 될 것”이라며, “인공 근육, 소프트 로보틱스, 바이오메디컬 엔지니어링 등의 상용화에 기여하고, 새로운 소프트 액추에이터 개발은 물론, 성능을 예측하는 물리적 모델을 세움으로써 소프트 기계의 최적 설계에 큰 도움을 줄 것으로 본다”고 연구 의의를 말했다.

한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 리더연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science)에 4월 15일 게재됐다.