Science지 게재, `실형태의 인공근육‘으로 다목적 응용 가능

자신의 무게보다 100,000배 무거운 질량을 들어 올릴 수 있고 같은 크기의 실제근육이 수축할 때 생성하는 기계적 힘보다 85배 높은 파워를 발생시킬 수 있는 새로운 인공근육이 국제 나노연구팀에 의해 공동 개발됐다. 이번에 개발된 인공근육은 같은 크기의 실제근육이 수축할 때 생성하는 기계적 힘보다 85배 높은 파워를 발생시킬 수 있다. 한양대 공과대학 생체공학부 김선정 교수팀(사진)이 참여하고 미국 텍사스 주립대, 호주, 캐나다, 중국, 브라질 연구팀이 공동 개발한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자사업(창의적 연구)과 한-미 공군 협력사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 세계적 권위의 학술지 사이언스(Science)지 11월호(11월 16일)에 게재됐다.
(논문명 : Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles)

김 교수팀을 포함한 국제 나노연구팀이 개발한 '탄소나노튜브 하이브리드 인공근육'은 기존의 인공근육들이 가지고 있는 ▲굽힘 ▲수축 ▲이완 기능을 뛰어넘어 비틀림, 회전 운동까지 가능하다. 하이브리드형 인공근육은 탄소나노튜브 섬유의 내부에 파라핀을 침투시킨 실형태로 열, 전기 또는 빛으로 온도를 가하면 파라핀의 부피팽창을 유도하고 섬유내부의 부피가 증가하면서 회전구동이 발생하거나 길이가 수축하는 원리를 이용했다.

인공근육의 회전운동은 생성된 나선형 구조로부터 섬유의 부피증가와 길이감소의 조합에 의해 시작된다. 나선구조로 직물이 짜여진 원기둥 모양의 양 끝에 손가락을 집어넣도록 디자인 된 아이들의 손가락 커프 장난감에서도 유사한 운동을 갖는다. 손가락을 빼기 위해서는 튜브의 길이를 수축시키거나 부피와 지름을 확장시키기 위해 손가락을 서로 밀어야 한다.

인공근육의 수축운동은 25밀리세컨드 내에 매우 빠르게 일어난다. 길이방향과 회전운동을 같이하며 수축성 전력밀도는 4.2 kW/kg 이고 이 값은 일반적 내부연소엔진의 질량당 전력밀도 비율보다 4배 높은 값에 해당된다. 이번에 개발된 인공근육은 구조가 간단하면서 높은 성능을 가지기 때문에 ▲로봇 ▲미세 침습성 수술을 위한 카테터(Catheter) ▲마이크로 모터 ▲마이크로 유체순환을 위한 믹서 ▲조정 가능한 광학시스템 ▲마이크로 밸브 ▲포지셔너 ▲장난감 등 다양한 곳에 사용될 수 있다.

김선정 교수는 "탄소나노튜브 하이브리드 인공근육은 기존의 인공근육들이 보여준 굽힘, 수축, 이완 기능을 비롯해 비틀림, 회전 운동까지 가능한 새로운 형태일 뿐만 아니라 이온성 전해질 액체속이 아닌 공기 중 환경에서 작동이 가능한 인공근육"이라며 "구동 원리 및 구조가 기존 모터에 비해 간단해 소형 모터 산업과 바이오, 로봇 분야 등 다양한 산업에 큰 파급 효과를 줄 것으로 기대된다."고 말했다.