▲중국과학원(CAS) 산하 닝보재료기술및공정연구소(NIMTE)와 저장대가 폴리 N-이소프로필 아크릴아미드(PNIPAm) 스폰지를 이용한 소프트 로봇으로 적응적 진화 및 전지형 이동을 실현했다. (사진=NIMTE)

중국과학원(CAS) 산하 닝보재료기술및공정연구소(NIMTE)와 저장대가 하이드로겔을 이용한 혁신적 소프트 로봇을 개발했다고 테크익스플로어가 지난 16일(현지시각) 보도했다.

중국과학원(CAS) 산하 닝보재료기술공학연구소(NIMTE)의 첸타오 교수가 이끄는 스마트 폴리머 소재 그룹은 저장대학 정인페이 교수팀과 함께 거친 자연 지형에서 다차원 오프로드 이동을 할 수 있는 적응형 변형 기능을 가진 하이드로겔 기반의 소프트 로봇을 개발했고 이를 '리서치(Research)'지에 발표했다.

유기체는 자연 진화의 과정으로서 그들의 외부 환경의 변화에 적응하기 위해 걷고, 기어가고, 수영하는 것과 같은 다양한 이동을 실현했다.

하이드로겔은 이같은 생체를 모방하는 이상적인 후보 물질로서, 우수한 자기 변형 및 부드러운 조직과 같은 기계적 특성을 갖고 있어 다양한 생체 모방 형태를 생성할 수 있다. 그러나 자율 이동을 다루고 여러 작업을 작동시키기 위해 현장에서의 변형을 활성화하는 것은 여전히 어려운 일이었다.

자벌레와 같은 생물의 자가 성장과 진화에 영감을 받은 CAS 산하 NIMTE와 저장대 연구진은 자철광(Fe₃O₄) 나노입자를 포함하는 광열(光熱) 하이드로겔 층을 등방성 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)(PNIPAm) 스펀지 표면에 성장시켰고 이렇게 해서 계면 확산 중합반응을 통한 이방성 이중층 구조를 형성했다.

프로그래밍된 근적외선(NIR) 빛을 쬐자 이중층 하이드로겔의 이방성 구성은 외부 환경의 변화에 적응하기 위해 재구성되고 재조립돼 여러 등급의 변형과 다양한 형태를 보였다.

▲가구 조립 작업시 흔히 보게 되는 장붓구멍(mortise,왼쪽)과 장부(tenon,오른쪽). (사진=위키피디아)

공간적으로 프로그램된 변형으로 인해 하이드로겔 액추에이터가 구부러지거나 복구될 때 자기 변형과 거친 지형 사이의 상호 작용을 통해 장붓구멍과 장부 간 맞물림(mortise-and-tenon interlock)이 동적으로 형성됐다.

이에 따라 하이드로겔 액추에이터는 자벌레가 기는 것을 모방해 주기적인 추진력을 생성함으로써 다양한 인공적 거친 물질과 천연 모래 지형에서 오프로드 이동을 실현할 수 있었다.

적응형 변형을 이용한 기어다닐 수 있는 하이드로겔 액추에이터는 모든 촉수의 시너지로 볼륨과 크롤링(기는) 모드를 변경해 산길, 계곡, 능선 등 복잡한 지형에 적응했다.

여러 하이드로겔 모터의 조립을 기반으로 정적 카고(cargo)도 활성화돼 거친 2D 기반 물질이나 복잡한 모래 지형을 기어다닐 수 있었다. 이 전략은 소프트 로봇, 변형 가능한 재료 및 생체 모방 장치의 설계 및 개발을 위한 한 걸음이다.