"사람 근육의 40배 힘 내는 인공근육 개발 성공" VIDEO: Sheaths drive powerful new artificial muscles
"사람 근육의 40배 힘 내는 인공근육 개발 성공"
한양대 참여 국제연구진 성과
'사이언스'에 발표
실제 사람의 근육섬유 모사 개발
국제 공동연구진이 섬유 형태의 인공근육(구동기)을 개발했다. 사람 근육이 내는 힘의 40배에 달하는 힘을 낼 수 있는 데다 가볍고 유연하게 제작할 수 있어 로봇과 웨어러블 기기 등 다양한 곳에 활용될 수 있을 전망이다.
김선정 한양대 전기생체공학부 교수팀은 미국 텍사스대, 호주 울릉공대 등과 함께 이런 연구 성과를 국제학술지 '사이언스'(Science) 12일 자에 발표했다.
연구진은 탄소나노튜브(CNT)와 시중에서 쉽게 구할 수 있는 아크릴 섬유, 실크, 대나무 섬유 등을 꼬아 인공근육의 중심부를 제작했다. 앞서 연구진은 탄소나노튜브만으로 중심부를 제작한 바 있는데 가격이 저렴한 물질을 섞어 상용화 시 가격을 줄일 수 있게 만든 것이다.
This illustration shows a twisted carbon nanotube yarn (CNT) (left) and a sheath-run artificial muscle (SRAM) made by coating a twisted CNT yarn with a polymer sheath. A scanning electron microscope image of a 42-micron outer-diameter coiled SRAM is shown on the right. Credit: The University of Texas at Dallas/phys.org
국제연구진이 개발한 인공근육의 모습 [텍사스대 제공]
Sheaths drive powerful new artificial muscles by University of Texas at Dallas Over the last 15 years, researchers at The University of Texas at Dallas and their international colleagues have invented several types of strong, powerful artificial muscles using materials ranging from high-tech carbon nanotubes (CNTs) to ordinary fishing line. In a new study published July 12 in the journal Science, the researchers describe their latest advance, called sheath-run artificial muscles, or SRAMs. The research group's previous muscles were made by twisting CNT yarn, polymer fishing line or nylon sewing thread. By twisting these fibers to the point that they coil, the researchers produced muscles that dramatically contract, or actuate, along their length when heated and return to their initial length when cooled. To form the new muscles, the research team applied a polymer coating to twisted CNT yarns, as well as to inexpensive nylon, silk and bamboo yarns, creating a sheath around the yarn core. "In our new muscles, it is the sheath around a coiled or twisted yarn that drives actuation and provides much higher work-per-cycle and power densities than for our previous muscles," said Dr. Ray Baughman, corresponding author of the study, the Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry and director of the Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute at UT Dallas. View Full Text https://phys.org/news/2019-07-sheaths-powerful-artificial-muscles.html |
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여기에 온도나 전력, 화학물질 등 외부 자극에 의해 수축하거나 이완하는 외피를 입히면 인공근육이 완성된다. 가령 탄소나노튜브를 코팅하면 전력에 따라 반응하게 된다. 새 인공근육은 기존 인공근육의 9배, 사람 근육이 내는 힘의 40배까지 힘을 내는 것으로 나타났다.
김선정 교수팀은 포도당 농도에 반응하는 하이드로겔을 외피로 삼아 인공근육의 구동을 시험하기도 했다. 김 교수는 "혈당에 따라 자동으로 약물(인슐린)을 내는 장치에 활용할 수 있지 않을까 한다"고 밝혔다.
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섬유 형태 인공근육은 실제 사람의 근육섬유를 모사해 개발됐다는 게 김 교수의 설명이다. 인공근육이 활용될 수 있는 곳은 마이크로로봇, 소형 의학장비, 환경에 따라 모양이 변하는 스마트 섬유 등 다양하다. 이날 사이언스에는 인공근육 개발 성과를 담은 논문 두 편이 추가로 실려 이 분야 연구가 활발하게 진행되고 있음을 시사했다.
매사추세츠공대(MIT), 워싱턴대 등 미국 연구진은 두 종류의 고분자를 결합해 만든 섬유로 인공근육을 제작했다. 두 고분자가 열에 의해 변형되는 정도가 다른 점을 이용해, 열을 가하면 근육이 구동하도록 설계했다. 이 인공근육이 내는 힘은 제 무게의 650배에 달하는 물건을 들어 올릴 수 있는 정도였다. 원래 길이의 10배 정도로 늘어나는 데다 수축·이완을 1만 번 반복해도 될 만큼 내구성이 강했다. 인공근육의 폭을 수 ㎛(마이크로미터·1㎛=100만 분의 1m)에서 수 mm에 이르도록 다양하게 제작할 수 있다는 것도 장점 중 하나다.
김선정 한양대 교수 [한양대 제공]
프랑스 국립과학연구원(CNRS), 독일 포츠담대 등이 참여한 유럽 연구진은 고분자 물질에 산화 그래핀(graphene oxide) 입자를 넣어 만든 인공근육을 소개했다. 이 근육의 경우 사람 근육이 내는 힘의 50배에 달하는 힘을 낼 수 있는 것으로 평가됐다.
다만 아직 인공근육이 널리 쓰이기에는 해결해야 할 과제가 많다. 에너지 효율이 대표 사례다. 사이언스에 따르면 현재 섬유 형태 인공근육은 투입 에너지 대비 6% 미만의 효율을 내고 있어 이를 해결할 연구가 더 필요한 실정이다.
사이언스 표지 [Ken Richardson 제공]
(서울=연합뉴스) 신선미 기자 sun@yna.co.kr
The artificial muscles that will power robots of the future | Christoph Keplinger
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