POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 몸이 변하는 해삼의 조직을 모사해 가변형 액추에이터를 개발했다.
POSTECH 기계공학과 김동성 교수, 최이현 박사 (현 ㈜에드믹바이오 연구개발팀 팀장), 한현석 석사 연구팀은 해삼의 가변특성을 갖춘 콜라겐성 조직으로부터 영감을 받아 기존 소프트 액추에이터(soft actuator)를 뛰어넘는 강력하고, 빠른 수분 반응을 바탕으로 하는 자가 작동 유연 액추에이터를 개발했다고 28일 밝혔다.
이 연구성과는 국제학술지인 ‘재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A)’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다.
해삼의 몸은 콜라겐성 조직(mutable collagenous tissue)으로 이뤄져 있어서 주변 상황에 맞게 단단해지거나 부드러워질 수 있다. 특히, 해삼의 탄성률(elastic modulus)을 수초 내에 10배까지 변화시킬 수 있어서 순식간에 작은 바위틈 사이로 들어가거나 몸을 부풀려 포식자를 위협할 수도 있다. 이는 해삼이 체내 화학조절제의 분비량을 조절함으로써 콜라겐성 조직 내에 있는 수소결합이 형성되거나 파괴되어 일어나는 변화이다.
액추에이터는 모터나 스위치처럼 전기적인 신호의 변화를 이용하여 물리적인 상태를 바꿔주는 장치(rigid device)를 말한다. 그러나 물을 에너지원처럼 활용하는, 물에 반응하는 소프트 액추에이터의 경우, 움직임이 부드럽기 때문에 변형이 잘되어야 하는 소프트 로봇 분야(soft robotics)에 적용할 수 있다. 하지만 지금까지의 소프트 액추에이터는 낮은 강성과 느린 작동 속도 때문에 한계가 있었다.
연구팀은 물과 반응해 형태를 자유롭게 바꾸는 해삼의 콜라겐성 조직으로부터 영감을 받아, 액추에이터에 프로그래밍이 가능하도록 설계했다. 이렇게 개발된 액츄에이터는 아주 유연하게 변하는 대용량 나이팜(bulk pNIPAAm) 하이드로젤을 바탕으로 80℃ 물과 같은 극한 환경 속에서도 기존의 물을 에너지원으로 사용하는 소프트 엑추에이터의 200배(2뉴턴)에 버금가는 작동력과, 300배(1/3초) 빠른 작동 속도를 보였다. 그 밖에도 여러 번의 테스트를 통해, 액추에이터에 매우 높은 변형률(300%)이 가했음에도 불구하고 원형을 복원하는 견고함을 보였다.
개발된 액추에이터는 사람의 팔과 같이 재료 잡기, 들어 올리기와 같은 작업을 하는 로봇 그리퍼(Gripper)와 같은 산업용 로봇이나 상처를 봉합하는 상처 봉합기(wound closure), 인공 손가락 등 산업계와 생체의학 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
김동성 교수는 “수분이 소프트 로봇에 닿으면 동작하는데, 유연하고 변형이 잘 되어 다양한 환경에서 적응이 가능하다”며, “새롭게 개발한 하이드로젤 액추에이터는 매우 강력하고 작동이 빠르기 때문에 전기가 없는 곳에서도 화학에너지를 이용해 로봇을 작동할 수 있다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업 중견연구, 원천기술개발사업 바이오 의료기술개발, 산업통산자원부 알키미스트 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>
<The following is the full text of the article translated by Google Translate.>
Prof. Dongseong Kim's research team at POSTECH developed a variable actuator that mimics the tissue of sea cucumber
A research team at POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) developed a variable actuator by simulating the tissue of a sea cucumber that changes body.
POSTECH Department of Mechanical Engineering Professor Dongseong Kim, Dr. Leehyun Choi (currently the team leader of Edmic Bio Co., Ltd. R&D Team), and Hyunsuk Han Master's research team were inspired by the collagenous tissue with variable characteristics of sea cucumber, It announced on the 28th that it has developed a self-actuating flexible actuator based on a fast moisture response.
This research result was published as a cover paper in the latest issue of the International Journal of Materials Chemistry A.
The body of a sea cucumber is made of mutable collagenous tissue, so it can be hardened or softened according to the surrounding conditions. In particular, it can change the elastic modulus of sea cucumbers up to 10 times within a few seconds, so it can quickly enter between small rock crevices or inflate to threaten predators. This is a change caused by the formation or destruction of hydrogen bonds in collagenous tissues by regulating the secretion of chemical regulators in the body of sea cucumbers.
An actuator is a rigid device that changes a physical state by using a change in an electrical signal, such as a motor or a switch. However, in the case of a soft actuator that responds to water, which utilizes water as an energy source, it can be applied to soft robotics, which requires good deformation because the movement is smooth. However, soft actuators so far have limitations due to their low rigidity and slow operating speed.
The research team was inspired by the collagenous tissue of sea cucumber, which freely changes shape by reacting with water, and designed the actuator to be programmable. The actuator developed in this way is based on a large-capacity nipalm (bulk pNIPAAm) hydrogel that changes very flexibly, even in extreme environments such as 80°C water, which is 200 times (2 Newtons) comparable to soft actuators that use existing water as an energy source. It showed operating force and operating speed 300 times (1/3 second) faster. In addition, through several tests, it was shown that the actuator was robust enough to restore the original shape even though a very high strain (300%) was applied.
The developed actuator can be used in various fields such as industrial robots such as grippers, which perform tasks such as grabbing and lifting materials like a human arm, wound closures that close wounds, and artificial fingers, such as industrial and biomedical applications. can be used in the field.
Professor Kim Dong-seong said, “It operates when moisture comes into contact with the soft robot, and it is flexible and deformable, so it can be adapted to various environments.” “The newly developed hydrogel actuator is very powerful and operates quickly, so it can operate even in places without electricity. “We can use chemical energy to operate the robot,” he said.
This research was carried out with support from the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea Research Foundation for mid-level research, source technology development project, bio-medical technology development, and Ministry of Trade, Industry and Energy Alchemist project.
