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국내 연구진이 콘크리트를 뚫을 수 있는 강력한 힘을 내는 소프트 로봇 액추에이터를 개발했습니다. 이번 연구는 식물 뿌리의 구조와 생태적 특성을 모방하여 이루어진 것으로, 이 기술을 통해 재활 의료 분야를 비롯한 다양한 산업에 새로운 혁신을 불러일으킬 수 있을 것으로 기대됩니다. 서울대학교 재료공학부 선정윤 교수와 기계공학부 김호영 교수 연구진이 이 연구 성과를 국제 학술지 ‘사이언스’에 발표했습니다. 이들은 물을 흡수해 팽창하는 하이드로겔을 사용하여, 단시간에 큰 힘을 발휘할 수 있는 소프트 로봇 액추에이터를 개발했다고 설명했습니다.
기존의 소프트 로봇들은 주로 공기 압력이나 유체 압력을 이용해 동작하도록 설계되어 있지만, 이 방법은 반드시 펌프와 모터가 필요해 휴대성이 떨어지는 단점이 있습니다. 이와 달리, 연구진은 식물 뿌리의 구조를 본뜬 하이드로겔 기반의 소프트 액추에이터를 개발하여, 별도의 동력 장치 없이도 강한 힘을 낼 수 있는 방법을 구현했습니다. 하이드로겔은 물을 흡수하여 팽창하는 특성을 가지고 있어 식물처럼 자율적으로 작동하며, 이동성과 적용 범위를 넓힐 수 있는 잠재력을 가집니다.
식물 뿌리의 비밀에서 영감을 얻은 연구
식물의 뿌리는 매우 견고하면서도 유연한 구조로 되어 있어, 땅속 깊이 뻗어 나가면서도 장애물을 효과적으로 피하거나 부술 수 있습니다. 뿌리의 세포벽은 세포가 물을 흡수하면서 팽창할 때 외부의 압력을 견디면서도 탄탄하게 구조를 유지해줍니다. 이러한 특성 덕분에 식물은 별도의 뼈대나 구조물이 없어도 곧게 자랄 수 있고, 단단한 흙 속에서도 깊이 뻗어나갈 수 있습니다. 연구진은 이 식물의 특성을 하이드로겔에 적용하기 위해, 하이드로겔을 식물의 세포벽과 유사한 강력한 막 안에 넣었습니다.
이번 연구의 제1저자인 나현욱 연구원은 “일반적으로 하이드로겔은 천천히 팽창하지만, 이번에는 전기를 통해 전기를 띤 이온 입자가 물을 끌어당기도록 유도해 팽창 속도를 가속화했습니다”라고 설명했습니다. 이 방법을 통해 연구진은 하이드로겔 1g만으로도 130kg의 무게를 들어 올릴 수 있는 힘을 얻었으며, 이 액추에이터는 2cm 두께의 벽돌도 단 5분 안에 부술 수 있었습니다. 이는 하이드로겔이 가진 특성과 전기적 자극을 결합하여 매우 강력한 결과를 얻어낸 혁신적인 접근법입니다.
응용 분야와 향후 발전 가능성
이번 연구에서 개발된 소프트 액추에이터는 다양한 분야에서 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다. 선정윤 교수는 “이 기술이 인공 근육이나 생체모방 로봇에 적용될 경우, 별도의 동력 장치 없이도 빠르고 강력한 동작을 구현할 수 있습니다. 이는 특히 물 위에 떠 있는 건축물이나 해저 도시 건설과 같은 특수 환경에서 혁신적인 솔루션을 제공할 수 있습니다”라고 말했습니다.
뿐만 아니라 이 기술은 재활 및 의료용 로봇 분야에서도 많은 기대를 모으고 있습니다. 소프트 로봇은 부드러운 재질로 만들어져 인체에 착용할 수 있는 특성을 갖고 있어, 재활 치료에 필요한 장비로 활용될 가능성이 높습니다. 예를 들어, 근력 회복을 위한 의료용 웨어러블 장비로 소프트 액추에이터가 사용된다면, 환자에게 부드럽지만 강력한 도움을 제공하여 회복 속도를 높이는 데 기여할 수 있을 것입니다.
이번 연구는 소프트 로봇 분야에서 새로운 장을 여는 동시에, 생체 모방 기술이 인류의 생활을 어떻게 혁신적으로 변화시킬 수 있는지를 잘 보여줍니다. 식물 뿌리의 구조와 원리를 모방한 소프트 액추에이터가 향후 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용될 가능성이 있으며, 이는 인간과 자연의 상호작용에 대해 새로운 인식을 불러일으킬 것입니다.
생체 모방 기술과 미래의 가능성
이번 연구는 식물의 특성을 과학 기술에 적용한 대표적인 생체 모방 연구 사례로, 향후 생체 모방 기술의 발전 가능성을 크게 확장시킬 것으로 보입니다. 특히 하이드로겔 기반 소프트 액추에이터는 기존의 강력한 로봇 시스템에서 필수적이었던 펌프와 모터를 대체할 수 있는 기술로 주목받고 있습니다. 이 기술을 통해, 연구진은 무거운 구조물을 들어 올리거나 콘크리트를 파괴하는 것과 같은 높은 물리적 요구가 있는 작업에도 소프트 로봇을 적용할 수 있는 가능성을 열었습니다.
소프트 로봇 기술이 발전하면서 생체 모방 기술이 인간의 생활에 미칠 수 있는 영향력은 더욱 커질 것으로 예상됩니다.
