울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수팀이 강성을 자유자재로 바꿀 수 있는 소프트 인공 근육을 개발했다고 17일 밝혔다.

기존 소프트 인공 근육은 사람과 상호 작용하는 로봇, 웨어러블 기기, 의료 보조 장치 등에 활용되지만 무거운 물체를 드는 데 한계가 있었다. 부드럽고 유연한 특성이 실제 힘을 발휘하는 근육 역할에 제약이 되기 때문이다.

연구팀이 개발한 인공 근육은 하중 지탱이 필요한 상태에서는 딱딱해지고, 물체를 들어올려야 하는 상황에서는 부드러워져 수축할 수 있다. 무게 1.25g에 불과한 이 인공 근육은 딱딱한 상태에서 5㎏ 하중을 지탱한다. 자기 무게의 약 4000배를 버티는 수준이다. 부드러운 상태에서는 12배까지 늘어난다.

이 인공 근육이 무게를 들어올릴 때 나타내는 구동 변형률은 원래 길이의 86.4%까지 수축하는 것으로 나타났다. 사람 근육의 약 40%보다 2배 이상 큰 수치다. 작업밀도는 1150 kJ/㎥를 기록해 사람 근육보다 30배 더 크다. 작업 밀도는 1㎥ 크기 근육이 얼마나 많은 일을 할 수 있는지 보여주는 지표다.

일반적으로 근육이 잘 변형되면서 단단할수록 작업 밀도가 커지는데, 두 조건은 서로 상충한다. 연구팀은 근육 안에 2가지 형태의 결합이 나타나도록 형상기억고분자 소재를 설계해 이 문제를 해결했다.

근육의 화학적 결합은 고분자 사슬을 공유 결합으로 단단히 묶어 구조적 강도를 유지하게 하고, 물리적 결합은 열 자극에 따라 끊어졌다 다시 이어지며 근육을 유연하고 잘 늘어나게 만든다.

또 표면을 특수 처리한 자성 입자를 넣어 물리적 결합을 강화하고, 외부 자기장으로도 근육이 움직일 수 있도록 했다. 실제 자기장으로 근육을 움직여 물체를 집는 실험에도 성공했다.

정훈의 교수는 "기존 인공 근육이 잘 늘어나면 힘이 약하고, 힘이 세면 잘 안 늘어난다는 근본적 한계를 해결한 성과"라며 "소프트 로봇, 웨어러블 로봇, 사람과 기계가 유연하게 상호 작용할 수 있는 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈에 지난 7일 온라인 게재됐으며, 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.