사람 보다 20배 강력한 인공 근육 개발

■ 사람 보다 20배 강력한 인공 근육 개발

 

한양대학교 전기 생체 공학부 김선정 교수는 사람의 근육 보다 최대 20배 큰 힘을 내는 인공 근육을 국제 학술지 ‘사이언스’에 2019년 07월 11일 발표했다. 미국 텍사스대 화학과 레이 바우만 교수팀과 공동 개발한 이 인공 근육은 탄소 나노 튜브 섬유에 시중에서 판매하는 값싼 아크릴 섬유, 실크, 대나무 섬유를 함께 섞어 꼬아 만들었다. 여기에 온도 변화와 전자기장, 화학 물질 같은 외부 자극에 반응하는 재료를 덧씌워 한 줄의 끈처럼 만들었다. 연구진은 이 끈을 다시 고무 동력기 고무줄처럼 배배 꼬아 인공 근육을 만들었다. 인공 근육 섬유는 외부 자극을 받으면, 줄을 감싼 겉면이 수축했다가 늘어나는 방식으로 사람의 근육처럼 힘을 낸다.

 

이번에 개발된 인공 근육은 3단계로 제작됐다. 먼저 탄소 나노 튜브 등 재료를 새끼줄처럼 꼬아 섬유를 만들고, 여기에 다른 물질을 입힌 뒤, 이를 다시 꼬아 밧줄 같이 굵은 인공 근육을 만든다.

 

연구팀이 개발한 인공 근육은 시중에서 쉽게 구하는 값싼 재료를 활용하고도 기존에 개발된 인공 근육 보다 9배 높은 성능을 냈다. 끈을 덮은 재료에 따라 어떤 자극에 반응할지 결정할 수 있어 활용 범위가 넓다. 폴리우레탄을 재료로 쓰면 열 변화에 따라 반응하는 인공 근육이 되고, 탄소 나노 튜브로 덮어씌우면 전기 자극에 반응하는 인공 근육이 된다. 김선정 교수는 “포도당에 반응하는 하이드로 겔을 개발해 포도당 농도에 따라 작동하는 인공 근육도 개발했다”고 말했다.

 

김선정 교수 연구팀 외에도 최근 인공 근육 연구는 로봇과 기계, 바이오 연구에서 뜨거운 주제로 떠올랐다. 인공 근육에 관심이 높아지는 이유는 산업 혁명 이후 200년 넘게 발전해 온 기계 장치들이 서서히 그 한계를 드러내고 있어서이다. 인간이 개발한 엔진이나 전기 모터 같은 구동 장치는 소형화가 이뤄지고 있지만, 점점 더 작게 만들기 어려워지고 있다. 또한 소재가 딱딱하다보니 부드럽고 유연하게 힘을 내는데 한계가 있다.

 

과학자들은 사람과 동물의 운동에 주목하기 시작했다. 사람의 근육은 얼굴 표정을 만들고 물건을 들어올리며, 적은 에너지로 장시간 달릴 수 있게 하는 등 다양하게 사용된다. 또한 세포 크기로 작게 만들 수 있고, 태어날 때부터 죽을 때까지 뛰는 심장 속 근육처럼 고장도 잘 나지 않는다. 과학자들은 섬유를 꼬아 만드는 방식의 인공 근육 기술이 가장 앞서 있다고 보고 있다.

한편, 미국 매사추세츠 공대(MIT) 폴리나 아니키바 교수 연구팀은 두 종류의 고분자를 붙인 덩어리를 국수 뽑듯 가늘게 뽑아낸 섬유로 인공 근육을 제작했다. 10배 이상의 늘어남도 견딜뿐더러 40도의 열만 가하면 두 고분자가 열에 늘어나는 정도가 달라 강하게 꼬이면서 자기 무게의 650배를 들 힘을 낸다. 미국 매사추세츠 공대(MIT) 연구팀이 개발한 섬유 인공 근육은 잡아당기면 기존 길이 보다 10배 이상 늘어나면서도 끊어지지 않는다.

 

또한, 프랑스 폴 파스칼 연구소 진카이 유안 연구원팀은 폴리 비닐 알코올(PVA) 섬유에 산화 그래핀 조각을 5% 섞어 꼰 인공 근육을 개발했다. 산화 그래핀 조각이 인공 근육의 탄성과 강도를 높여주는 역할을 하며 인간 근육의 50배의 힘을 낸다.

 

스위스 로잔 연방 공대 제이미 백 교수는 형상 기억 합금 스프링으로 곤충처럼 걷기부터 멀리 뛰기와 높이 뛰기까지 자유자재로 할 수 있는 1g 무게의 로봇을 개발했다고 2019년 07월 10일 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다. 리튬 이온 배터리와 수신기, 센서, 형상 기억 합금을 가열할 장치를 장착한 가로 세로 약 3㎝의 기판 세 개를 스프링으로 이어 붙인 형태지만 걷고 기는 동작을 자유자재로 하다가 장애물을 만나면 최대 14㎝ 높이로 뛰어넘는다. 형상 기억 합금은 인공 근육 후보군 중 가장 강한 힘을 내고 가장 연구가 활발하다. 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질이 있어 열에 반응하는 인공 근육으로 사용된다.

 

다만, 인공 근육은 이미 인간 근육 보다 더 강한 힘을 내는 데는 성공했지만, 인간 근육과 같은 힘을 내기 위해서는 5배 더 많은 에너지가 필요해서 에너지 효율성이 떨어진다는 것이 극복해야 할 과제이다.