오스트리아 과학자들, 생분해성 소재로 부드러운 액추에이터 개발
오스트리아 연구진은 복잡한 물체를 안정된 치수로 모델링할 때 생분해성 잉크를 사용하는 압출 3D 프린팅 공정을 개발했습니다. 바이오잉크는 젤라틴 기반 하이드로겔로 구성되며, 원래 길이의 여섯 배까지 늘어납니다.
이는 소프트 로보틱스의 새로운 응용 가능성을 열어 주고, 무폐기물 생산으로 가는 문을 엽니다. 소프트 로보틱스 엔지니어들은 사람 및 다른 생명체와 상호작용하는 로봇 장치를 설계할 때 자연에서 영감을 얻습니다. 그럼에도 이러한 장치의 생산 공정은 종종 재활용할 수 없는 폐기물을 낳습니다.
게다가 주형 성형과 같은 전통적인 생산 방식은 복잡한 소프트 로보틱스 응용 분야의 요구를 충족하지 못합니다. 따라서 소프트 로보틱스의 발전에는 새로운 생산 기술과 함께 환경 지속 가능성의 향상이 필요합니다.
소프트 로보틱스의 장점과 과제
소프트 로봇은 산업 현장에서 쓰이는 딱딱한 로봇과 다릅니다. 자연을 모방하는 방식에 기반해, 부드럽고 适응력 있는 소재로 만든 소프트 로봇은 산업, 의료, 사회 분야에서 사람들이 복잡한 과제를 해결하도록 돕습니다.
하지만 센서와 액추에이터를 사용하는 소프트 로보틱스 장치는 환경에 큰 영향을 미칩니다. 이런 맥락에서 생분해성 소재로 만든 소프트 로보틱스 액추에이터가 바람직합니다.
하이드로겔, 폴리에스터, 단백질을 이용해 생분해성 소프트 로봇 부품을 만들려는 시도가 있었습니다. 그러나 전통적인 주형 성형 방식은 현대 소프트 로봇이 달성할 수 있는 자유도를 제한합니다.
따라서 유연한 센서가 통합된 복잡한 로봇 장치에는 3D 압출 프린팅과 같은 새로운 생산 방식이 필요합니다.
생분해성 로봇 프린팅
오스트리아 요하네스 케플러 린츠 대학교 연구팀은 내장된 센서 네트워크를 갖춘 소프트 로봇 액추에이터를 생산하기 위한 3D 프린팅 방법을 개발했습니다. 이 방법은 가열된 압출 헤드에 바이오겔 소재의 연속 필라멘트를 공급해 원하는 물체를 형성하는 융합 적층 모델링(FDM)에 기반합니다. 달성 가능한 최소 요소 크기는 0,6mm입니다.
부드럽고 탄성 있는 소재는 로봇용 소프트 액추에이터 개발에 필수적입니다. 셀룰로오스, 알지네이트, 젤라틴 같은 바이오폴리머는 공학 응용을 위한 생분해성 소재 생산에 사용되어 왔습니다. 오스트리아 연구팀은 이번 연구를 위해 높은 탄성(최대 변형률 500%)을 지닌 젤라틴 기반 하이드로겔(바이오겔)을 개발했습니다.
젤라틴은 식품에 흔히 쓰이는 가수분해된 콜라겐 형태입니다. 맛과 색이 없는 고분자로, 동물의 신체 부위에서 얻습니다. 다재다능한 특성 덕분에 조직 공학과 광섬유를 포함한 다양한 공학 과제에 쓰입니다.
오스트리아 연구팀이 달성한 소재 특성은 젤라틴에 글리세린과 설탕 시럽을 첨가한 결과입니다. 또한 구연산은 박테리아 증식을 조절합니다. 이 최적의 배합은 하수에서 며칠 만에 효소에 의해 소재가 분해되도록 하며, 환경 조건에서 1년 이상의 유통기한을 보장합니다.
이 바이오겔은 어느 방향으로든 최대 74도의 굽힘 각도를 갖는 공압 소프트 액추에이터를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 또한 바이오겔은 최대 다섯 번까지 재사용해 인쇄할 수 있습니다.
연구팀은 바이오겔의 가열, 보관, 재사용 효과를 조사했습니다. 24시간 후 소재의 최대 변형률이 470%까지 떨어지는 것을 확인했는데, 이는 주형으로 만든 바이오겔보다 140% 우수한 수치입니다.
이들의 바이오겔은 환경 조건에서 12일 보관 후에도 430% 이상의 최대 변형률을 유지하며, 이는 소프트 로보틱스 응용에 필요한 200%를 크게 웃도는 수치입니다.
오스트리아 연구진은 또한 바이오겔로 도파관을 인쇄했는데, 이 도파관은 통과하는 빛의 손실을 통해 변형을 감지합니다. 연구진은 바이오겔의 물 함량을 조절해 도파관의 굴절률을 조정할 수 있었습니다.
마지막으로 과학자들은 세 개의 방을 가진 액추에이터(높이 60mm, 직경 16,6mm)를 인쇄했습니다. 세 개의 전기공압 압력 조절기, 단일 압력원, 그리고 팽창 가능한 방들의 병렬 배치가 전방위 운동을 가능하게 했습니다.
작동 상태와 해당 압력 값의 2차원 지도를 만든 뒤, 연구진은 표준 게임 컨트롤러로 로봇을 조종할 수 있었습니다. 연구팀은 로봇이 장애물을 감지하고 제거할 수 있도록 탐색 및 청소 절차를 프로그래밍해 로봇의 능력을 시연했습니다.
신축성 있는 도파관과 소프트 액추에이터를 결합해 오스트리아 과학자들은 곡률, 방향, 힘의 크기를 높은 정밀도로 제어할 수 있었으며, 생산 비용과 폐기물 양도 줄였습니다.
연구진은 이 기술이 언젠가 몸속을 헤엄치며 약물을 전달하거나 손상된 조직을 복구할 수 있는 초소형 소프트 로봇으로 이어질 것이라고 봅니다. 또한 '젤라틴 로봇'은 방사능 수치가 높은 지역 같은 민감한 환경에 침투하는 데 사용될 수 있습니다. 이 기술은 어린이용 장난감 제작에도 적용될 수 있습니다.
