물 속에서 움직이는 인공 근육. (제공: Gravert et al./Science Advances)

그들의 솔루션은 이전 기술에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 로봇이 단단하지 않고 부드러워야 하거나 환경과 상호 작용할 때 더 많은 민감도가 필요한 곳에서 사용할 수 있다.

많은 로봇 공학자들은 금속이나 기타 단단한 재료와 모터의 조합일 뿐만 아니라 더 부드럽고 적응력이 뛰어난 로봇을 만드는 것을 꿈꾼다. 소프트 로봇은 완전히 다른 방식으로 환경과 상호 작용할 수 있다. 예를 들어 인간의 팔다리처럼 충격을 완화하거나 물체를 섬세하게 잡을 수 있다.

이는 또한 에너지 소비와 관련하여 이점을 제공한다. 오늘날 로봇 동작은 일반적으로 위치를 유지하기 위해 많은 에너지가 필요한 반면, 소프트 시스템도 에너지를 잘 저장할 수 있다. 그렇다면 인간의 근육을 모델로 삼아 그것을 재현하려고 시도하는 것보다 더 분명한 것이 무엇일까?

생물학적 영감

인공 근육의 기능은 생물학에 기초한다. 자연 근육과 마찬가지로 인공 근육도 전기 자극에 반응하여 수축한다. 그러나 인공 근육은 세포와 섬유로 구성되지 않고 액체(보통 오일)로 채워진 주머니로 구성되며, 껍질의 일부는 전극으로 덮여 있다.

이 전극이 전압을 받으면 함께 끌어당겨 액체를 파우치의 나머지 부분으로 밀어 넣는다. 파우치는 구부러져 무게를 들어 올릴 수 있다. 단일 주머니는 근육 섬유의 짧은 묶음과 유사하다. 이들 중 몇몇은 연결되어 액추에이터 또는 간단히 인공 근육이라고도 하는 완전한 추진 요소를 형성할 수 있다.

인공 근육을 개발한다는 아이디어는 새로운 것이 아니지만 지금까지 이를 실현하는 데 큰 장애물이 있었다. 정전식 액추에이터는 약 6,000~10,000V의 매우 높은 전압에서만 작동했다. 이 요구 사항에는 여러 가지 결과가 있었다. 예를 들어 근육은 크고 무거운 전압 증폭기에 연결되어야 했다. 그들은 물 속에서 일하지 않았다. 인간에게 완전히 안전하지는 않았다.

ETH Zurich의 로봇공학 교수인 로버트 카츠슈만(Robert Katzschmann)은 스테판-다니엘 그라베르(Stephan-Daniel Gravert), 엘리아 바리니(Elia Varini) 및 기타 동료들과 함께 새로운 솔루션을 개발했다.

HALVE 액추에이터

카츠슈만의 연구실에서 과학 보조원으로 일하는 그라베르가 파우치용 쉘을 디자인했다. 연구원들은 새로운 인공 근육을 HALVE 액추에이터라고 부르는데, 여기서 HALVE는 "수압 증폭 저전압 정전기"를 의미한다.

“다른 액추에이터에서는 전극이 쉘 외부에 있다. 우리의 껍질은 여러 층으로 구성되어 있다.”라고 그라베르는 말한다.

“우리는 상대적으로 많은 양의 전기 에너지를 저장할 수 있는 고유전율 강유전성 재료를 전극층과 결합했다. 다음으로, 우수한 기계적 특성을 갖고 파우치를 더욱 안정적으로 만드는 폴리머 쉘로 코팅이다.”라고 그라베르는 설명한다.

이는 강유전성 물질의 훨씬 높은 유전율이 낮은 전압에도 불구하고 큰 힘을 허용하기 때문에 연구원들이 필요한 전압을 줄일 수 있음을 의미한다. 그라베르와 바리니는 HALVE 액추에이터용 쉘을 함께 개발했을 뿐만 아니라 두 대의 로봇에 사용할 액추에이터를 실험실에서 자체 제작했다.

이러한 로봇 사례 중 하나는 두 손가락을 가진 11cm 높이의 그리퍼(약 4.3인치)이다. 각 손가락은 HALVE 액추에이터의 직렬로 연결된 3개의 파우치에 의해 움직인다. 소형 배터리로 작동되는 전원 공급 장치는 로봇에 900V를 제공한다. 배터리와 전원 공급 장치를 합친 무게는 15g(약 0.5온스)에 불과하다. 전원 및 제어 전자 장치를 포함한 전체 그리퍼의 무게는 45g(약 1.58온스)이다. 그리퍼는 끈으로 물체를 공중으로 들어 올릴 때 자체 무게를 지탱할 수 있을 만큼 매끄러운 플라스틱 물체를 단단히 잡을 수 있다.

“이 예는 HALVE 액추에이터가 얼마나 작고 가벼우며 효율적인지 훌륭하게 보여준다. 이는 또한 우리가 통합된 근육 작동 시스템을 만들겠다는 목표에 크게 한 걸음 더 다가섰다는 것을 의미한다.”라고 카츠슈만은 만족스럽게 말했다.

미래로의 다이빙

두 번째 물체는 길이가 거의 30센티미터(약 11.8인치)인 물고기처럼 생긴 수영 선수로 물 속에서 부드럽게 움직일 수 있다. 이는 전자 장치를 포함하는 "헤드"와 HALVE 액추에이터가 부착되는 유연한 "본체"로 구성된다. 이러한 액추에이터는 수영 동작을 생성하는 리듬에 따라 교대로 움직인다. 자율 물고기는 정지 상태에서 초당 3cm의 속도로 14초 만에 이동할 수 있으며 이는 일반 수돗물에서도 가능하다.

이 두 번째 예는 HALVE 액추에이터의 또 다른 새로운 기능을 보여주기 때문에 중요하다. 전극이 더 이상 껍질 외부에 보호되지 않은 채로 놓여 있지 않으므로 인공 근육은 이제 방수 처리되었으며 전도성 액체에도 사용할 수 있다.

“물고기는 이러한 액추에이터의 일반적인 장점을 보여준다. 전극은 환경으로부터 보호되고, 반대로 환경은 전극으로부터 보호된다. 따라서 이러한 정전기 액추에이터를 물 속에서 작동하거나 만질 수 있다.”라고 카츠슈만은 설명한다.

그리고 파우치의 다층 구조에는 또 다른 장점이 있다. 새로운 액추에이터는 다른 인공 근육보다 훨씬 강력하다.

이상적으로 파우치는 많은 양의 움직임을 달성하고 빠르게 수행할 수 있어야 한다. 그러나 전극 사이의 먼지 얼룩과 같은 가장 작은 생산 오류조차도 일종의 미니 낙뢰와 같은 전기 파손으로 이어질 수 있다.

“이전 모델에서는 이런 일이 발생하면 전극이 타서 껍질에 구멍이 생겼다. 이로 인해 액체가 빠져나가 액츄에이터가 쓸모없게 되었다.”라고 그라베르는 말한다. 이 문제는 보호용 플라스틱 외부 레이어로 인해 단일 구멍이 본질적으로 자체적으로 닫히기 때문에 HALVE 액추에이터에서 해결된다. 결과적으로 파우치는 일반적으로 전기 고장 후에도 완전한 기능을 유지한다.

두 연구원은 인공 근육의 개발이 결정적인 진전을 이룬 것을 분명히 기뻐하지만 동시에 현실적이기도 하다.

카츠슈만이 말했듯이, “이제 우리는 대규모 생산을 위해 이 기술을 준비해야 하는데 여기 ETH 연구실에서는 그렇게 할 수 없다. 너무 많은 것을 포기하지 않고도 우리와 함께 일하고 싶어하는 회사들로부터 이미 관심을 보이고 있다고 말할 수 있다.”

예를 들어, 인공 근육은 언젠가 새로운 로봇, 보철물 또는 웨어러블 기기에 사용될 수 있다. 즉, 인체에 착용되는 기술이다.

이 연구는 Science Advances에 게재되었다.

출처: ETH 취리히