나노기술 및 정책 정보

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상당한 힘을 생성시키고 운동을 할 수 있는 인공 근육은 재생 가능한 소재와 로봇 디자인의 거대한 압력을 해소할 수 있는 해결책임. 지난 20년 간 인공 근육을 바탕으로 한 각종 집행 기기는 마이크로 항공기, 잭 그리퍼, 시뮬레이션 디자인 등 분야에서 발전해옴. 집행 기기에서 사용되는 전통적인 소재에 비해 폴리머 기반의 소재는 우수한 성형 가능성, 저렴한 원가, 높은 탄성 등 성능을 보유하고 있으며, 정밀 디자인을 통한 구성 형태는 대 변형, 자체 복구, 다양한 자극 응답 등 전체 성능을 증강시킬 수 있는 것으로 나타났음.

폴리머 기반 소재 중에서 형상 기억 효과(SME)에 기반 한 형상 기억 폴리머(SMP)는 소프트 로봇과 인공 근육 속에서 중요한 위치를 차지하고 있으며, 형상 기억 폴리머는 우수한 자극 응답 능력과 프로그래밍 특성을 보유하고 있기 때문에 근육의 수축과 방출은 폴리머의 변형 및 회복과 각각 대응되고 있음.

각 종 SMP 중에서 가역 순환 특성을 보유하고 있는 이중 방향 소재는 전망이 밝은데, 예를 들면 반(半) 결정 폴리머(SCP)와 액정 탄성체(LCE)가 가역 순환 특성을 보유하고 있는 이중 방향 소재에 속하며, 독특한 연장성과 가소성 롱 체인 프레임워크를 제공하는 동시에 신속한 위상 변화와 제어가 되는 방향에 대한 응답 부품은 SMP의 두 가지 기준(기계 및 응답 특성)을 충족시키고 있음.

열 액츄에이터(thermal actuator)에 비해 광 구동 시스템은 순간적인 통제, 환경 친화적이고 비(非) 접촉 시동이라는 거대한 우세를 보유하고 있으며, 응답 성능과 물리 특성(SMP의 강도, 응변, 연장성, 가소성이 포함됨) 사이에서 균형을 실현해야 하는데 있어 비록 LCE가 우수한 응답 성능과 비교적 큰 기계 강도를 나타내지만 플렉시블의 부족은 비교적 큰 응변 변형을 일으킬 수 있음. SEM을 보유하고 있는 SCP는 이상적인 인장 특성, 높은 균열 인장 비율과 자체 복구 능력이 있지만 현재 소프트 로봇의 광 액츄에이터로 사용할 때 변형에 대한 제어 가능성은 LCE에 비해 떨어지는 것으로 나타났음.

중국 상하이(上海, 상해) 자오퉁(交通, 교통) 대학교 천위졔(陳玉潔, 진옥결), 류허저우(劉河州, 유하주) 교수 연구팀은 새로운 멀티 기능을 보유하고 있는 프로그래밍 인공 근육을 디자인하였는데 동 근육은 아조페닐 사이의 π–π 중첩을 통해 형성된 독특한 패치 스티칭 구조를 보유하고 있으며, SCP와 LCE의 장점을 결합시킨 특징을 보임.

나노 복합 소재는 인공 근육 성능(에너지 밀도는 사람 골격근 에너지 밀도의 46.5배와 파워 밀도의 26.6배에 달함)과 프로그래밍 특성(1초 내의 274.84% 응변과 100% 형태 기억 회복 비율) 사이에서 독특한 결합을 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

동시에 아조페닐의 광 이성화와 금 나노 막대의 광 열 전환을 결합시켜 30s 내에 자외선을 촉발시키는 변형과 적외선 회복의 순환을 신속히 완성할 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 COMSOL Multiphysics 모델을 구축한 동시에 해당되는 유한 원(元) 분석을 통해 광 구동을 검증하고 탄성체 속에서 광을 유발시키는 일반적인 원리를 해석하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 입증한 멀티 기능의 프로그래밍 탄성체는 인공 근육 응용 과정, 특히 광 구동 분야에서 밝은 응용 전망을 보임.

본 연구 성과는 Chem. Mater. ("Multiresponse Shape-Memory Nanocomposite with a Reversible Cycle for Powerful Artificial Muscles")에 게재됨.