왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 박용래 교수, 조지연 연구원

서울대학교 공과대학은 기계공학부 박용래 교수 연구팀이 생물의 근육-힘줄 복합체(Muscle-Tendon Complex)에서 영감을 받아 감각과 운동 기능을 동시에 수행할 수 있는 ‘지능형 인공근육’을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

액정탄성체(Liquid Crystal Elastomer, LCE) 소재에 액체금속 채널을 내장한 이 인공근육은 전기적 자극을 가하면 수축하며, 내부의 힘과 길이도 스스로 측정할 수 있다. 따라서 생물학적 근육처럼 운동 신호(수의신경계)와 감각 신호(감각신경계)의 동시 처리가 가능하다. 이는 다양한 미래 휴머노이드 로봇에 적용될 수 있는 혁신적 기술로 평가받고 있다.

이번 연구성과는 세계적 권위의 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐으며, 표지 논문으로도 선정됐다.

최근 휴머노이드 로봇, 물류 자동화 시스템, 재활 및 보조 의료기기 등 다양한 산업·의료 분야에서 사람처럼 섬세하게 물체를 다루고 외부 환경을 스스로 인식하며 안전하게 상호작용할 수 있는 로봇 구동 기술에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다.

그러나 기존에 개발된 인공근육이나 로봇 구동기는 구동과 감지 기능이 분리돼 있기 때문에 별도의 센서와 복잡한 제어 시스템을 반드시 필요로 하는 한계가 있었다. 따라서 이 문제를 해결할 수 있는 새로운 형태의 ‘지능형 구동 소재’에 대한 요구가 지속적으로 제기돼왔다.

이에 박용래 교수 연구팀은 생물의 근육-힘줄 복합체에 착안해 생체근육처럼 감각과 움직임을 동시에 구현한 LCE 기반 인공근육을 세계 최초로 개발하는 성과를 거뒀다. 물리적 지능(physical intelligence)을 구현함으로써 로봇 구동 기술의 새로운 장을 열었다는 평가다.

이 인공근육은 서로 다른 성질의 등방성(isotropic) LCE와 네마틱(nematic) LCE*를 직렬로 결합한 단일 구조로 구성돼 있으며, 두 LCE는 각각 힘줄과 근육의 역할을 수행한다. 그리고 여기에 삽입된 두 액체금속 채널 중 하나는 열을 가해 수축을 유도하는 구동기(모터) 역할을, 다른 하나는 힘과 변형을 정밀하게 감지하는 센서 역할을 한다. 별도의 외부 센서 없이도 구조 내부에서 근육의 수축 상태를 감각하고, 동시에 움직임이 구현되도록 설계된 것이다.

*등방성(isotropic)은 물질의 성질이 모든 방향에서 동일한 상태를 의미하며, 네마틱(nematic)은 분자들이 특정 방향으로 정렬된 상태를 뜻한다. 따라서 등방성 LCE는 방향에 관계없이 유사한 물성을 보이는 반면, 네마틱 LCE는 분자의 정렬 방향을 따라 더 큰 변형이나 응답을 나타낼 수 있다.

연구진은 인공근육을 적용한 로봇 손가락과 그리퍼 시스템이 사람처럼 물체를 섬세하게 잡고, 물체의 강도와 크기를 스스로 구분하도록 만드는 데 성공했다. 특히 두 개의 인공근육이 서로 반대 방향으로 작동하는 ‘길항쌍(antagonistic pair)’으로 구성된 덕분에 근육의 수축과 이완을 정밀하게 조절하면서 빠르고 정밀한 구동을 구현할 수 있었다.

박용래 교수는 “이번에 개발한 인공근육은 생물학적 근육의 고유한 구조와 기능을 재현한 것으로, 로봇이 주변 환경과 더욱 유연하고 민감하게 상호작용할 수 있도록 한다”며 “향후 휴머노이드, 의료 및 재활 로봇, 소프트 로봇 등에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

박용래 교수 연구팀은 향후 인공근육의 냉각 속도를 높이기 위한 구조 최적화 및 능동 냉각기술 개발도 추진 중이다.

이번 논문의 주 저자인 조지연 연구원은 현재 서울대학교 기계공학부 박사과정에 재학 중이며, 인공근육의 자동화 제작에 관한 후속 연구를 진행하고 있다. 학위 취득 후 박사후연구원으로서 관련 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.

한편 서울대학교와 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고(University of California, San Diego)가 협력해 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.