KAIST 생명화학공학과 문홍철 교수팀, 하나의 부드러운 소재에 접근 감지·움직임·형태 유지 기능 구현
빛을 끈 뒤에도 변형된 형태 10분 이상 유지…소프트 로봇의 부품·배선 줄일 가능성 제시
파리지옥은 먹잇감의 자극을 느끼면 잎을 닫아 붙잡는다. KAIST 연구진은 여기에서 착안해, 물체의 접근을 느끼는 피부와 물체를 붙잡는 근육을 하나의 부드러운 소재에 담았다. 전기를 띤 물체가 다가오면 소재 안의 입자들이 움직여 전기 신호를 내고, 자외선을 비추면 굽어 물체를 붙잡는다. 빛을 끈 뒤에도 잡은 형태를 10분 이상 유지해, 부품과 배선을 줄인 소프트 로봇 손의 가능성을 보여줬다.
KAIST(총장 배충식)는 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 주변 물체를 감지하고 빛에 반응해 움직이는 이온성 소프트 로봇 ‘이오노그래스퍼(Ionograsper)’를 개발했다고 30일 밝혔다. 이온성 소재란 내부에 전하(양(+) 또는 음(?)의 전기적 성질)를 띤 작은 입자인 ‘이온’이 있어, 주변의 전기적 변화에 반응할 수 있는 소재를 말한다.
연구 배경
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피지컬 AI와 소프트 로봇이 실제 환경에서 사람이나 사물과 안전하게 상호작용하기 위해서는 주변을 감지하는 센서와 유연한 움직임을 구현하는 액추에이터가 필요하다.
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기존 소프트 로봇 시스템은 센서와 구동부가 분리돼 있어 부품과 배선이 증가하고 시스템 구조가 복잡해지며, 동작이나 변형된 형태를 유지하기 위해 지속적인 에너지 공급이 필요한 경우가 많다. 연구는 감지, 구동, 형상 유지 기능을 하나의 이온성 고분자 소재에 통합함으로써 구조적 복잡성과 에너지 부담을 동시에 줄일 수 있는 소재 중심의 소프트 로봇 설계 전략을 제시했다.
연구 내용
연구팀은 아조벤젠을 포함하는 이온성 고분자 젤을 설계해 빛에 의한 분자 구조 변화, 수분의 이동, 이온의 재배열이 서로 연계되도록 구현했다. 대전된 물체가 접근하면 외부 정전기장에 의해 젤 내부의 이동성 이온이 재배열되면서 개방회로 전압이 발생한다. 이를 이용해 별도의 외부 전압을 인가하지 않고 물체의 접근과 움직임을 감지할 수 있다.
저강도 자외선을 조사하면 아조벤젠의 광이성질화와 국소적인 수분 손실이 일어나면서 초기 굽힘이 발생하고, 조사면에는 나노기공이 형성된다. 이어지는 탈수 과정은 고분자 사슬의 운동성을 낮춰 재배열된 고분자 네트워크를 일시적으로 고정한다. 자외선을 제거한 뒤에는 나노기공을 통한 비대칭적인 수분 재흡수로 반대 방향의 굽힘이 발생하며, 고분자 네트워크가 서서히 이완되면서 변형된 형태가 장시간 유지된 후 원래 상태로 회복된다.
연구팀은 이러한 소재를 이용해 파리지옥의 감지와 포획 거동을 모사한 ‘이오노그래스퍼(Ionograsper)’를 제작했다. 이를 통해 물체 접근 감지 → 자외선 유도 포획 → 추가 에너지 공급 없는 포획 상태 유지 → 고분자 네트워크의 수동 이완에 따른 방출로 이어지는 일련의 동작을 구현했다.
기대 효과
감지, 구동 및 형상 유지 기능을 하나의 연성 소재에 통합함으로써 센서와 액추에이터의 개별 장착에 따른 부품 수와 배선, 시스템 무게 및 에너지 소비를 줄일 수 있는 새로운 감각·구동 소재 플랫폼을 제시한다
향후 인공지능 기반 신호처리 및 제어 기술과 결합해 피지컬 AI 로봇용 저전력 근접 감각소자, 인공근육형 구동부 및 환경 적응형 소프트 그리퍼로 확장할 수 있다. 소프트 그리퍼와 웨어러블 로봇을 비롯해 인간?기계 인터페이스, 비접촉 조작 시스템 및 에너지 공급이 제한된 소프트 로봇 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
문홍철 교수는 “로봇의 피부와 근육을 따로 붙이지 않고, 하나의 소재가 물체를 감지하고 빛을 받으면 움직이도록 만들었다. 빛을 끈 뒤에도 변형된 형태를 유지한다는 점이 특징”이라며 “앞으로 AI 제어 기술을 결합해 피지컬 AI 로봇에 활용할 수 있는 감각·구동 소재로 발전시키겠다”고 말했다.
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