초소형 섬유 액추에이터, 인간 근육을 빠르게 모방하다
로보틱스, 보철 및 기타 공학 분야에서는 동물 근육의 수축을 모방하는 액추에이터가 일반적으로 사용됩니다. 그러나 자연 근육 섬유의 속도와 효율이 요구되는 기준입니다. 액추에이터 기술의 새로운 개발에도 불구하고, 과거의 인공 근육은 너무 크거나, 너무 느리거나, 너무 약했습니다.
샌디에이고 캘리포니아대학교(UCSD) 엔지니어 팀은 인간 근육의 파단 강도, 빠른 반응 속도, 높은 출력 밀도를 재현하는 새로운 액정 엘라스토머(LCE) 인공 마이크로섬유를 발표했습니다.
«축 방향 압축을 일으킬 수 있는 섬유는 자연과 공학 응용 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 섬유 액추에이터가 널리 쓰이고 있음에도 불구하고, 복합 작동 변형, 높은 응답 속도, 높은 비출력을 갖춘 광섬유 액추에이터를 제작하는 것은 여전히 매우 어렵습니다»라고 연구진은 논문에서 밝혔습니다.
“폴리머(LCE)는 부드럽고 매우 잘 늘어나는 소재입니다. 빛이나 열과 같은 외부 자극을 가하면 이 소재는 한 방향으로 수축합니다”
LCE 기반 부드러운 액추에이터는 흔하며 50~80%의 우수한 작동 부하를 낼 수 있지만, 반응 시간은 보통 매우 느립니다. 섬유를 동시에 반응성이 좋고 빠르게 만드는 가장 간단한 방법은 직경을 줄이는 것입니다. 이를 위해 UCSD 연구진은 고전압 하에서 고분자 용액을 주사기나 방사구를 통해 분사해 초극세 섬유를 얻는 전기방사라는 기법을 사용했습니다.
전기방사는 직경 10~100마이크로미터의 마이크로섬유를 만들기 위해 소규모 소재 제조에 사용됩니다. 다양한 형태학적 구조의 섬유를 만들 수 있는 능력으로 알려져 있으며, 일반적으로 여러 연구 및 상업 환경에서 활용됩니다.
UCSD 연구진이 만든 마이크로섬유의 크기는 약 40~50마이크로미터로, 대략 사람의 머리카락 굵기와 비슷합니다. 이는 기존 LCE 섬유보다 훨씬 얇으며, 일부 기존 섬유는 두께가 0.3mm를 넘기도 합니다. 이 기법을 LCE 섬유 제작에 사용한 연구자는 이들이 처음은 아니지만, 이 섬유를 한 단계 더 발전시킨 것은 이들이 처음입니다. 과학자들은 섬유의 작동을 제어하고 그 작동 특성을 측정하는 방법을 보여주고 있습니다.
개념 증명으로 연구팀은 전기방사된 LCE 섬유를 이용해 세 가지 서로 다른 마이크로 로봇 장치를 만들었습니다. 마이크로 핀셋, 마이크로 로봇, 그리고 광원으로 구동되는 마이크로유체 펌프입니다. 이들 액추에이터는 열전기 방식이나 근적외선 레이저로 제어할 수 있습니다.
LCE 소재가 실온에 있을 때는 네마틱 상에 놓여 있습니다. 이 상태에서는 액정 분자들이 무작위로 배열되어 있으며, 긴 축들이 대체로 한 방향을 향합니다. 온도가 올라가면 소재는 이른바 등방성 상으로 전이되며, 이때 모든 방향에서 성질이 같아져 섬유가 수축하게 됩니다.
결과적으로 작동 변형률은 최대 60%에 이르렀으며, 이는 길이 10cm 섬유가 4cm로 줄어든다는 의미입니다. 응답 속도는 0.2초 미만이고, 비출력은 1kg당 400W입니다. 이는 인간 근육 섬유와 비슷한 수준입니다.
연구진은 전기로 제어되는 부드러운 액추에이터가 저렴한 전자 장치와 쉽게 통합될 수 있어 마이크로 로봇 시스템과 장치에 유리하다고 밝혔습니다. 전기방사 역시 매우 효율적인 제조 방법입니다. 과학자들에 따르면 15분 만에 10,000개의 섬유를 얻을 수 있습니다. 그러나 아직 해결해야 할 여러 과제가 남아 있습니다.
“이 연구의 유일한 한계는 LCE 마이크로섬유에 열이나 빛을 가할 때 에너지 효율이 1% 미만으로 매우 낮다는 점입니다. 따라서 향후 연구에서는 더 에너지 효율적인 방식으로 작동을 활성화하는 방법을 고민할 수 있습니다”
또 다른 한계는 전기방사로 얻은 LCE 소재의 네마틱-등방성 상전이가 90도 이상의 매우 높은 온도에서 일어난다는 점입니다. 따라서 체온이 35도인 인체에 섬유를 직접 삽입하는 것은 불가능합니다. 이 문제를 해결하는 한 방법은 다른 유형의 액정을 사용하는 것일 수 있습니다.
연구진은 이번 작업에서 액정으로 RM 257을 사용했지만, 상전이 온도를 낮추기 위해 다른 유형으로 바꿀 수 있습니다. 연구자들은 전기방사된 LCE 마이크로섬유 액추에이터 연구를 확장할 가능성에 대해 낙관적으로 보고 있습니다.
“또한 여러 LCE 섬유를 나란히 배열하고 동시에 작동시켜 출력을 높일 수 있음을 입증했습니다. 이는 이러한 근섬유 묶음을 생체의료 조직으로 결합할 수 있는지 알아보는 향후 연구 과제입니다”
