KAIST, 모터 없이 스스로 움직이는 로봇손 구동기술 확보

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 모터없이 스스로 움직이면서 1초 이내에 빠르게 작동이 가능한 스마트 구동기술을 개발했다고 22일 밝혔다

기계공학과 김성수 교수팀이 개발한 이 기술은 복잡한 기계장치 없이도 열과 같은 외부자극에 반응해 스스로 형태를 바꾸고 다시 원상태로 돌아올 수 있는 가역적 자가 변형(Self-shape change)'이 가능한 양방향(Two-way) 형상 기억물질 기반 '하이브리드 스마트 액추에이터'다.

연구팀은 형상기억합금(SMA)과 형상기억고분자(SMP)를 결합해 두 소재의 장점을 동시에 활용할 수 있는 하이브리드 복합재 액추에이터를 설계했다. 형상기억합금은 열을 가하면 원래 형태로 돌아가는 금속 소재며 형상기억고분자는 열이나 외부 자극에 따라 형태가 변하는 고분자 소재다.

기존 형상기억 소재는 한번 변형되면 원래 상태로 돌아오지 못하거나, 회복 속도가 매우 느리다는 한계가 있다. 또 금속 합금과 고분자 소재는 강도가 달라 반복적으로 사용할 경우 원래 형태로 정확히 복원되지 않는 문제가 있다.

문제 해결을 위해 연구팀은 소재와 구조를 함께 개선했다. 먼저 형상기억고분자의 화학조성을 조절하고 탄소섬유로 보강해 소재를 더 단단하게 만든 뒤 액추에이터에 줄자처럼 휘어지는 '테이프 스프링(Tape spring)' 구조를 적용했다.

이 구조는 변형과정에서 에너지를 저장했다가 순간적으로 방출하는 '스냅-스루(Snap-through)' 현상을 만들어 움직임의 속도와 정확도를 높여준다.

그 결과 개발된 액추에이터는 열을 가하면 굽혀지고 온도가 내려가면 다시 펴지는 완전한 양방향 구동 기능을 갖게 됐다.

또한 기존 기술보다 변형 범위가 크게 늘어나 거의 100%에 가까운 초기형상 복원률을 보였으며 원래 형태로 돌아오는 속도도 크게 향상됐고 복잡한 제어 없이도 반복적으로 작동이 가능하다.

이번 연구결과는 국제 학술지 와일리(Wiley)사가 발행하는 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced functional materials)'에 지난 1월 게재됐으며 우수성을 인정받아 3월에는 'Advanced Functional Materials'의 전문표지(Front Cover)로 채택됐다.(강다정/제1저자, 박성연·Yitro Samuel Aditya·이하은·김원빈·배상윤/공저자, 김성수/교신저자)

김성수 교수는 "이 연구는 소재의 물성적 한계를 독창적인 구조설계로 극복하고 형상기억 액추에이터의 성능을 한 단계 끌어올린 결과"라며 "향후 반복적인 그리핑 동작이 필요한 로봇 손(Gripper)이나 우주용 전개 구조물 등 다양한 분야에서 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.


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