○ 논문명 : Biomimetic Color Changing Anisotropic Soft Actuators with Integrated Metal Nanowire Percolation Network Transparent Heaters for Soft Robotics
○ 저 자 : 고승환 교수(교신저자, 서울대학교), 김현석 석박통합과정(제1저자, 서울대학교), 이하범 박사(제1저자, 서울대학교)
■연구 개요
개화하면서 빨갛게 물드는 꽃, 날갯짓 할 때 색이 변화하는 나비도 로봇으로 제작할 수 있다. 움직이면서 색이 변하는 인공 근육도 만들 수 있다.
고승환 교수(서울대학교) 연구팀이 생체의 움직임과 색 변화를 모사한 새로운 소프트 액추에이터를 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 12일 밝혔다.
액추에이터는 전기 등의 동력을 이용해 기계를 동작시키는 구동 장치다. 소프트 액추에이터는 고분자 등 탄력 있고 가벼운 물질로 구성된 구동 장치를 말한다. 단단한 강체 액추에이터와 달리 로봇에 자유로운 움직임을 부여해주고 곡면이나 깨지기 쉬운 물체도 다룰 수 있게 해주는, 소프트 로봇 분야의 핵심 기술이다.
연구팀은 움직이는 방향도 자유롭고, 움직일 때마다 색도 변할 수 있는 소프트 액추에이터를 개발했다. 개발된 액추에이터는 열팽창계수가 물리적 방향에 따라 달라지는 고분자 필름을 사용했다. 필름의 방향에 따라 움직이는 방향을 자유자재로 설계할 수 있다.
기존 소프트 액추에이터가 움직임 자체를 구현하는 데 급급해, 움직임 방향의 자유도가 낮은 한계를 돌파했다. 또한 온도 감응형 염료를 적용해 움직임과 동시에 즉각적으로 색 변화가 가능해졌다. 꽃, 카멜레온, 문어처럼 스스로 색을 변화시키는 동‧식물의 위장술, 직관적인 정보 전달 능력을 모방할 수 있다.
고승환 교수는 “이 연구는 은 나노와이어 네트워크를 기반으로 이방성 고분자 필름과 온도 감응형 염료를 이용한다. 개발된 액추에이터는 손쉬운 움직임 방향 설계가 가능하고, 저온 구동하며, 색 변화할 수 있다”며 ”생체모방 로봇, 위장 로봇, 인공 근육과 같이 다양한 소프트 로봇에 적용할 수 있다“고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터)의 지원으로 수행되었다. 세계적으로 저명한 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials) 8월 8일 표지논문으로 게재됐다.
◆연구의 필요성
○ 최근 소프트 로봇의 수요와 관심이 증가하고, 세계 유수의 연구기관들은 소프트 액추에이터의 성능 향상과 기능 추가를 위해 다양하고 심도 있는 연구를 진행하고 있다. 소프트 액추에이터는 탄력 있고 가벼운 재질로 구성된다. 그래서 곡면이나 요철 등 불특정한 외관의 물체나 깨지기 쉬운 물체를 다룰 수 있는 등의 기존 강체 액추에이터가 할 수 없었던 독특하고 유용한 특징을 보여준다. 이러한 특징을 바탕으로 인공근육, 소프트 매니퓰레이터, 생체모방 로봇, 바이오 메디컬 로봇 등과 같은 다양한 생체 응용 분야에 활용되고 있다.
○ 소프트 액추에이터를 생체 응용하기 위해서는 낮은 온도에서 다양한 동작을 수행할 수 있어야 한다. 기존의 열반응성 엑추에이터(ETA)는 100℃ 이상 고온의 열원이 필요했다. 또한 대부분 등방성 고분자를 적용하므로 열에 의한 움직임의 방향이 액추에이터의 기하학적인 설계에 따라 제한되었다. 열반응성 액추에이터(ETA, Electro-Thermal Actuator) : 전기열에 의한 열팽창 계수의 불일치로 구동된다.
○ 또한 꽃, 카멜레온, 문어, 개구리와 같이 색을 능동적으로 바꾸는 능력을 모방해 소프트 로봇에 적용하는 연구도 주목받고 있다. 이러한 기술은 주변으로부터의 위장, 직관적인 정보 전달 등이 가능케 하는 데에 중요한 역할을 할 것이다.
◆연구내용
○ 단순한 움직이기만 하는 것이 아니라 움직임과 동시에 색 변화가 가능한 소프트 액추에이터를 세계 최초로 개발하였다. 저밀도폴리에틸렌(LDPE) 필름을 이용하여 액추에이터를 구성하는 다른 요소들에 제약을 받지 않아 간편하게 구동 방향 설계가 가능하다. 저밀도폴리에틸렌(LDPE)은 고분자 물질 중 큰 열팽창 계수를 가지며, 이방성 열팽창 계수의 특징이 있다.
○ 개발된 소프트 액추에이터는 이방성 열팽창 계수의 LDPE와 온도 감응형 염료가 적용된 등방성 열팽창 계수를 가진 폴리비닐클로라이드(PVC)*, 그리고 두 필름 사이에 은 나노와이어 퍼콜레이션 네트워크 기반의 투명 신축성 히터의 샌드위치 형태로 구성된다. (그림 1) 폴리비닐클로라이드(PVC)는 LDPE보다 현저히 작은 열팽창 계수를 갖는 고분자 물질이며 등방성 열팽창 계수의 특징이 있다. 나노와이어는 직경 수십～수백 ㎚, 길이 수십～수백 ㎛의 물질이며, 은으로 이루어진 나노와이어는 뛰어난 전도성의 투명‧신축성 전극으로 적용됐다.
○ 이 소프트 액추에이터는 두 얇은 필름의 커다란 열팽창 계수 차이에 의해 구동되며, 이전에 보고된 전기열 구동 소프트 액추에이터(Electrothermal Soft Actuator) 보다 상당히 낮은 온도(약 40°C)에서 매우 큰 굽힘 곡률(2.5 cm-1)을 보여준다.
○ 광학적 투명성을 가진 2개의 고분자 필름과 은 나노와이어 네트워크 기반의 투명 히터는 전체 액추에이터 시스템의 투명화를 가능케 하여 온도 감응형 연료가 적용된 액추에이터의 구동과 동시에 발현되는 색 변화를 액추에이터 전방위에서 즉각적으로 시각화할 수 있다. (그림 2)
○ 은 나노와이어 퍼콜레이션 네트워크를 기반으로 한 신축성 투명 히터의 적용으로 큰 굽힘과 반복적인 움직임에도 히터의 성질을 유지할 수 있으며 최대 곡률에서 10,000회 이상의 구동에도 우수한 안정성과 내구성을 보여준다. (그림 2)
○ 손쉬운 구동 방향 설계와 온도에 따라 색 변화 가능한 소프트 액추에이터 기술을 응용하여 개화를 하며 동시에 색 변화하는 꽃, 날갯짓과 동시에 색이 변하는 투명 나비, 물체를 감으며 색이 변화하는 담쟁이덩굴로의 생체모방 로봇을 구현했다. (그림 3)
◆연구성과/기대효과
○ 이 연구에서 제시한 액추에이터는 고온의 열원(100℃ 이상)이 필요한 종래의 열반응성 액추에이터(ETA)의 생체 적용 기술로의 한계점을 돌파했다. 체온 범위의 낮은 온도에서도 큰 곡률의 구동이 가능하여, 시스템에 전체 피로도를 줄여주고 고반복 환경에서도 성능 저하가 현저하게 적다. 고내구성 뿐만 아니라 생체 조직 손상도 방지할 수 있어, 생체 적용 소프트 로봇의 응용 가능성을 넓힌 핵심 기술이다.
○ 이방성 열팽창 계수를 갖는 고분자 필름의 적용으로 오로지 필름 방향에 따라 액추에이터의 구동 방향을 독립적으로 손쉽게 제어할 수 있다. 이는 액추에이터의 기하학적인 조건, 적용되는 히터의 디자인 등의 다른 요소에 의해 구동 방향에 제한되는 종래의 ETA 연구들의 한계를 극복한 기술로 다양한 형태와 다차원의 움직임이 가능하다.
○ 이전에 제시된 생체모방 로봇 연구에서 위장, 색 변화 관련 연구는 거의 찾아보기 어려웠으며 시스템에 내장된 경로에 추가적인 색 염료의 주입과 같은 복잡한 방법만 제시되어 있었다. 이번 연구에서 발표한 색 변화 소프트 액추에이터는 간단한 온도 감응형 염료 코팅 공정으로 색 변화 기능을 부여했다. 또한 구성하는 두 필름과 금속 나노와이어 히터가 광학적으로 투명하기에 액추에이터의 전방위에서 움직임과 동시에 색이 변하는 것을 인지할 수 있다. 사용자에게 구동에 대한 직관적이고 즉각적인 정보를 제공해 줄 수 있는 선구 기술로 평가된다.
○ 이번 연구에서 제안한 이방성 및 색 변화 소프트 액추에이터는 이전에 없었던 저온 구동, 고내구성, 자유도 높은 구동 방향 설계와 구동에 따른 즉각적이고 직관적인 색 변화 특징을 가진다. 현재의 열반응성 소프트 액추에이터가 가진 많은 한계점을 극복하였고 이에 소프트 로보틱스가 생체모방 로봇, 위장 로봇, 인공 근육, 예술 로봇 등의 새로운 응용 분야로 활용될 수 있는 커다란 가능성을 보여주었다.