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▲ 사진=서울대학교 공과대학

서울대학교 공과대학(학장직무대리 송준호)은 선정윤 재료공학부 교수와 김호영 기계공학부 교수 연구팀(제1저자 : 나현욱, 강용우, 박창서, 정소현 연구원)이 벽돌도 깰 만큼 큰 힘을 짧은 시간에 내는 소프트젤 액추에이터를 개발했다고 15일 밝혔다.

이번에 개발된 소프트젤 액추에이터는 질긴 세포벽 안에 말랑말랑한 물질이 든 식물의 세포 구조에서 착안해 기존의 젤보다 훨씬 큰 힘을 빠르게 낼 수 있는 점이 특징이다.

소프트 액추에이터는 유연하고 신축성 있는 재료로 만든 구동 장치로, 소프트 로봇의 움직임을 담당한다. 특히 하이드로젤은 뛰어난 생체 적합성 및 자극 응답성을 갖춰 미래형 로봇을 위한 소프트 액추에이터의 재료로 주목받고 있다.

선정윤-김호영 교수 연구팀이 개발한 소프트젤 액추에이터는 단순한 구조와 함께 외부 동력원 없이도 매우 큰 힘을 낼 수 있다. 식물 세포는 세포 안으로 물이 빨려 들며 올라가는, 내부 압력을 질긴 세포벽이 견딜 수 있으며 그 힘은 뿌리가 돌을 뚫고 자랄 정도로 크다. 식물 세포의 세포벽에서 착안해 선택적 투과성 막으로 하이드로젤을 감싼 구조로 디자인됐다. 수중 환경에서 삼투압에 의해 하이드로젤이 팽창하면서 외부 동력원 없이도 약 1g의 하이드로젤이 무려 130kg의 무게를 들 수 있다. 이는 기존 젤 기반 액추에이터보다 출력 밀도가 10만 배가량 큰 결과다.

또한 외부 동력원으로 전기장을 활용하면, 삼투에 전기 삼투를 더 해 빠른 속도로 큰 힘을 발생하며 구동할 수 있다. 

연구팀은 이번 연구에서 개발한 소프트젤 액추에이터의 뛰어난 휴대성과 고출력 구동을 활용하면, 단단한 구조체를 형성해 복잡하고 무거운 과정 없이 플로팅 건축물 및 해저 도시 건설 등에 활용할 수 있을 것이라고 연구의 응용 가능성을 설명했다. 

선정윤 교수와 김호영 교수는 “소프트젤 액추에이터의 근본적인 한계를 극복한 연구로써, 고출력 밀도(High-power-density)의 소프트 액추에이터 제작의 기반 기술이 될 것”이라며 “인공 근육, 소프트 로보틱스, 바이오메디컬 엔지니어링 등의 상용화에 기여하고, 새로운 소프트 액추에이터 개발은 물론, 성능을 예측하는 물리적 모델을 세움으로써 소프트 기계의 최적 설계에 큰 도움을 줄 것으로 본다”고 연구 의의를 말했다.