[국제i저널 = 부산 정정순기자] 미국 텍사스 주립대(The University of Texas at Dallas, UT Dallas )의 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소(Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute)는 일상 생활에서 흔히 사용되는 낚시줄과 재봉실을 강력한 인공근육으로 전환할 수 있는 연구(Powerful Muscles from Fishing Line and Sewing Thread) 결과를 2월 21일 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’를 통해 발표했다.

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부산대 출신 물리학자인 오지영 박사가 포함된 미국, 호주, 캐나다, 한국, 터키, 그리고 중국의 국제 공동 연구팀은 평범한 낚싯줄과 재봉실에 비틀림을 추가해 인위적인 꼬인 구조를 만들어 줄 경우, 다양한 형태의 에너지 자극에 반응하는 인공근육의 특성을 보인다는 것을 발견했다.

이번 논문의 공동 저자인 한국인 물리학자 오지영(39세) 씨는 부산대에서 박사과정까지 모두 마친 순수 국내파(물리학과 학사 95학번, 석사 99학번, 박사 01학번)로, 지난 2006년부터 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소에서 연구원으로 근무하고 있다.

연구 결과, 두껍게 꼬아진 고무줄처럼 나선형으로 감긴 인공근육은 외부에서 열이 가해질 경우 수축하고, 열원을 제거하며 다시 초기 상태로 돌아온다. 인위적인 꼬임이 추가되기 전의 비틀림 방향과 추가된 꼬임의 비틀림 방향을 반대로 조절할 경우 인공근육은 온도가 올라가도 수축이 아닌 이완을 보여준다.

열 에너지를 이용하는 인위적으로 꼬인 코일트된(감긴) 구조의 인공근육은 직접적인 온도 변화뿐만 아니라 전기적 자극, 빛의 흡수, 화학 반응에 대해서도 뛰어난 인공근육의 특성을 보여준다. 새로운 형태의 이러한 인공근육은 10,000rpm(1분당 10,000회) 이상의 회전력을 발생시킬 수 있으며, 같은 무게의 실제 인간의 근육과 비교할 때 100배나 더 무거운 무게를 들어올리고 100배나 더 큰 힘을 낼 수 있다. 인공근육 1kg은 무려 7.1마력의 힘을 생성하는데 이는 비행기의 제트 엔진이 발생시킬 수 있는 일률과 같다. 최대 20% 정도 수축할 수 있는 실제 인간의 근육과 비교해 새로운 형태의 인공근육은 길이 방향으로 최대 50%까지 수축할 수 있으며, 수백만 번의 수축 이완 운동이 되풀이되는 동안 이러한 특성은 유지됐다.

사람의 머리카락보다 더 얇게 제작될 수 있는 이러한 인공근육은 휴머노이드 로봇들의 섬세한 얼굴 표정 표현을 가능하게 할 것이다. 그리고 소형 인공근육이면서도 정교하게 조절되는 특성은 수술범위를 최소화하려는 다양한 외과 수술용 로봇과 미니어처 칩의 제작에 적합할 뿐만 아니라 인간과 로봇 사이의 교감 센서로도 응용 가능하다.

이번 연구의 책임자인 레이 바우만 교수(텍사스 주립대 화학과 Robert A. Welch Distinguished Chair 교수, 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소장)는 “이번에 개발된 인공근육의 응응분야는 광범위할 것”이라고 기대하면서, “오늘날 대부분의 휴머노이드 로봇, 인공 보조장치, 착용 가능한 엑소스켈레톤(Exoskeleton, 외골격) 연구 분야가 모터 및 관련 유압장치의 소형화와 경량화에 대한 한계로 실용화에 어려움을 겪고 있었다. 사람 머리카락의 10배 굵기의 꼬인 고분자 낚싯줄 100가닥으로 만들어진 인공근육은 무려 0.73톤의 무게를 감당할 수 있기 때문에 영화 슈퍼맨에서처럼 강한 힘이 요구되는 로봇 또는 엑소스켈레톤 분야에 바로 사용될 수 있다”고 덧붙였다.

엑소스켈레톤의 발전된 예로는 영화 ‘아이언맨’의 로봇수트를 들 수 있다. 관련 분야에서는 실제 일상생활에서 신체가 마비됐거나 팔다리가 없는 환자들이 로봇 팔, 다리 등으로 제작된 ‘엑소스켈레톤’을 착용해 정상인처럼 활동하는 일이 가능할 것으로 보고 연구를 진행하고 있다.

이뿐만 아니라, 기본적으로 열 에너지에 의한 온도 변화에 의해 반응하는 인공근육의 특성은 외부 온도변화에 따라 섬유 사이의 공간이 자동 조절되는 스마트 직물에서부터 진동이나 소음이 발생되는 추가 장치 없이 자동 조절 가능한 미래형 창문, 온도 조절 장치 또는 개폐 조절 시스템으로 응용 가능함을 연구팀은 논문을 통해 제시했다.

이번 연구에 참여한 오지영 박사는 지금까지 뛰어난 물리적 특성을 가지는 탄소나노튜브섬유 인공근육에 관한 연구 결과를 5편의 사이언스 논문으로 발표한 바 있다. 오 박사는 “지금까지의 탄소나노튜브섬유 관련 연구 성과들을 평범한 일상 재료이자 단가가 비교할 수 없게 낮은 나일론 섬유를 통해 구현할 수 있다는 점이 흥미로웠다”며 “본 연구 결과가 의학의 발달로 인한 생명연장의 결과인 고령화 사회를 뒷받침할 수 있는 로봇 기술의 실용화와 응용 범위 확대에 큰 도움이 되길 바란다”고 말했다.

한편, 오지영 박사는 2006년 부산대 박사과정 재학 중 연료 전지의 원리를 슈퍼 캐패시터 특성을 보이는 탄소나노튜브섬유와 결합시켜, 에너지 저장체이면서 동시에 인공근육의 특성을 보이는 다기능성 인공근육 관련 연구를 수행해 처음으로 ‘사이언스’ 논문을 발표했다. 이번 연구는 오 박사의 여섯 번째 ‘사이언스’ 논문이다.

이번 연구에 참여한 국제 공동 연구팀은 다음과 같다.

미국 : 텍사스 주립대 알렌 맥달마이드 나노텍 연구소

(University of Texas at Dallas Nanotech Institute)

호주 : 울롱공 대학교(The University of Wollongong)

캐나다 : 브리티시 컬럼비아 대학교(The University of British Columbia)

한국 : 한양대학교

터키 : 나믹커멜대학교

중국 : 지린대학교

정정순  yeu3030@naver.com

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