초소형 수상로봇 제작을 위한 연성 구동기 개발 세계 최초 성공

- 차세대 초소형·초경량 로봇, 의료용 장치에 적용 가능한 신기술 제시

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 조진한 고려대학교 교수 연구팀과 고제성 아주대학교 교수 연구팀이 고전도·고신축성 하이드로젤 전극을 제작할 수 있는 기술을 확보하여 고성능·저전력 연성 구동기1)와 초소형 수상로봇 개발에 성공했다고 밝혔다.
  하이드로젤은 기능성과 자극응답성이 우수해 차세대 초소형 로봇 구동기의 핵심 재료로 주목받고 있다. 하지만 기존 하이드로젤 구동기는 외부자극을 주면 내부 삼투압이 변화하는 원리를 이용하기 때문에 구동속도가 느리고, 움직임 조절이 어려워 복잡한 로봇 시스템에 적용하는 데 한계가 있다. 전기적 자극을 사용하면 성능 향상의 가능성이 있지만, 수분 함유량이 많은 하이드로젤 특성상 효율적인 전기 자극을 가할 수 있는 방법이 제한된다.
  이를 극복하기 위해, 연구팀은 하이드로젤 표면에 전극층을 균일하게 도포하고, 하이드로젤의 수축현상을 이용해 주름진 전극을 제작했다. 이를 통해, 높은 전기 전도도와 신축성을 동시에 확보하는 데 성공했고, 이를 연성 구동기로 사용하는 것이 가능함을 확인했다.
  기존 연성 구동기는 1,000볼트[V] 이상의 높은 전압이 필요한 것에 비해, 개발한 연성 구동기는 3볼트[V] 이하의 낮은 전압에서도 동작이 가능하며, 성능 측면에서도 100배 이상의 에너지 밀도와 10배 이상의 출력 밀도를 가진다. 개발한 연성 구동기는 작은 배터리만으로도 높은 성능을 발휘하기 때문에 초소형·초경량 로봇에도 응용이 가능하다. 연구팀은 이를 실제 로봇에 적용하여 물속에서도 동작이 가능한 초소형 수상로봇 제작에도 성공했다.
  조진한 교수와 고종국 박사는 “이번 연구성과로 밝혀낸 작동원리는 세계 최초로 보고된 것”이라며, “저전압·저전력으로 작동하는 연성 구동기는 향후 다양한 소형 환경탐사로봇, 의료용 장치 등에 응용이 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
  고제성 교수는 “하이드로젤 전극 제작기술은 기능성 하이드로젤을 보다 쉽게 전자 소재화 할 수 있는 기술로, 다양한 형태의 차세대 소재연구에 도입할 수 있다”라고 연구의의를 전했다.
  과기정통부 개인기초연구사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구의 성과는 국제학술지인 사이언스 로보틱스(Science Robotics)에 10월 27일 게재됐다.

[연구 주요 내용]

1. 연구 배경

전기모터 및 액추에이터는 전기차와 더불어 로봇 혁명의 핵심 부품으로 활발히 연구되고 있지만, 작동원리의 특성상 부피가 크고 단단하고 무거울 수밖에 없다는 근원적인 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하자 다양한 생명체 또는 사람의 근육의 움직임을 모방하는 인공근육 (소프트 액추에이터)2)에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 그러나 보고된 전기 구동 소프트 액추에이터의 경우 그 성능이 낮거나 작동에 높은 전압 (수 kV)이 필요해 그 응용이 제한되어 왔다. 그래서 실제 보고된 소프트 액추에이터 기반 차세대 로봇들은 그 크기 (7cm 이상)가 클 수밖에 없었다. 즉, 저전압/저전력에서 높은 성능을 보이는 소프트 액추에이터의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.
  하이드로젤은 유망한 자극감응성 연성재료로, 미래형 로봇을 위한 소프트 액추에이터 재료로 주목받고 있다. 하지만 기존에 보고된 하이드로젤 기반 소프트 액추에이터의 경우 그 속도가 아주 느리고 제어가 어렵다는 한계를 가지고 있다. 전기자극을 사용할 경우 그 한계를 극복할 수 있다는 가능성이 알려져 있지만, 하이드로젤 전극 제작 기술의 한계로 효율적인 전지자극을 줄 수 있는 방법이 제한되어왔다. 따라서, 새로운 하이드로젤 전극 제작 기술은 기존의 소프트 액추에이터의 한계를 극복할 수 있는 핵심기술이 될 것이다

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