△ 신개념 로봇 손 개발 기술들이 잇따라 등장하고 있다.

국내에서 차세대 로봇 손 기술 개발에 성공, 웨어러블 의료기기 제작에 기대가 되고 있다.

15일 의료계 등에 따르면 국내 연구진들이 이온성 소프트 로봇 '이오노그래스퍼(Ionograsper)', 3D 프린팅활용 소프트 로봇 손 제작 소재, 자가발전 무선 센싱 전자피부 등의 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 문홍철 교수팀은 최근 주변 물체를 감지하고 빛에 반응해 움직이는 이온성 소프트 로봇 '이오노그래스퍼(Ionograsper)'를 개발했다.

이온성 소재란 내부에 전하(+ 또는 −의 전기적 성질)를 띤 작은 입자인 '이온'이 있어, 주변의 전기적 변화에 반응할 수 있는 소재를 말한다.

연구팀은 로봇의 피부와 근육 역할을 하나의 부드러운 고분자 소재에 담았다. 고분자는 작은 분자들이 길게 이어진 물질로, 플라스틱이나 고무도 고분자의 한 종류다. 연구팀은 빛을 받으면 모양이 바뀌는 '아조벤젠'과 공기 중 수분을 흡수하는 고분자를 결합해, 내부에서 이온이 움직일 수 있는 그물망 구조를 만들었다.

전하를 띤 물체가 가까워지면, 그 물체가 주변에 미치는 전기적 영향으로 소재 안의 양이온과 음이온이 재배열된다. 풍선에 머리카락을 문지른 뒤 가까이 가져가면 머리카락이 반응하듯, 물체가 직접 닿지 않아도 주변의 전기적 영향으로 소재 내부에 변화가 생기는 것이다. 연구팀은 이때 나타나는 전기 신호를 이용해 별도의 감지용 전압 없이 물체의 접근과 움직임을 알아냈다.

소재를 움직일 때는 자외선을 비춘다. 빛을 받은 아조벤젠의 모양이 바뀌고 소재의 한쪽 면에서 수분이 빠져나가면서, 한쪽이 먼저 마른 얇은 종이처럼 소재가 굽는다. 연구팀은 이 움직임으로 물체를 붙잡는 모습을 시연했다.

빛을 끄면 소재 표면에 생긴 나노 크기의 작은 구멍을 통해 수분이 다시 들어온다. 이 과정에서 소재는 반대 방향으로 굽으며, 고분자 구조가 천천히 풀릴 때까지 변형된 형태를 10분 이상 유지했다.

이번 연구의 특징은 물체를 알아채는 기능, 움직이는 기능, 바뀐 형태를 일정 시간 유지하는 기능을 하나의 소재에 구현했다는 점이다. 연구팀은 빛에 따른 분자와 수분의 변화가 어떻게 양방향 굽힘과 형태 유지로 이어지는지도 분석했다.

이 같은 소재 설계 방식은 향후 소프트 로봇의 센서와 구동부를 각각 장착할 때 필요한 부품과 배선을 줄이는 데 활용될 수 있다고 연구팀은 설명했다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이승철 교수팀은 최근 한국과학기술연구원 극한물성소재연구센터 나종범 박사팀, 서울과학기술대학교 생산시스템 및 설계공학전공 박범수 교수와 함께 인공지능(AI)를 활용해 3D 프린팅이 가능하면서도 고무처럼 크게 늘어나는 소재를 개발했다.

연구팀이 활용한 DLP(Digital Light Processing)는 액체 소재에 빛을 비춰 원하는 모양으로 굳히는 3D 프린팅 기술이다. 복잡한 구조를 빠르게 만들 수 있지만 소재를 잘 늘어나고 튼튼하게 만들수록 액체가 잘 흐르지 않을 정도로 점도가 높아져 출력하기 어려워진다. 반대로 잘 출력되도록 묽게 만들면 신축성과 강도가 떨어진다.

연구팀은 AI를 활용해 이 두 조건을 만족하는 최적의 '소재 레시피'를 찾았다. 특히 프린터에서 잘 출력되는 소재뿐 아니라 점도가 높아 출력하기 어려운 소재까지 학습 데이터에 포함했다.

연구팀은 다양한 배합의 액체 소재를 작은 틀에 넣어 굳힌 뒤 얼마나 잘 늘어나는지, 얼마나 단단한지, 빛을 받으면 얼마나 빨리 굳는지, 얼마나 잘 흐르는지 등을 측정했다. 이를 통해 다양한 소재의 배합과 각각의 성능을 연결한 데이터를 구축했다.

이어 머신러닝(데이터를 학습해 규칙과 관계를 찾아내는 인공지능 기술)을 이용해 소재의 배합과 성능 사이의 관계를 학습시켰다. AI는 이를 바탕으로 3D 프린팅이 가능하면서도 잘 늘어나는 최적의 소재 조합을 찾아냈다.

AI가 찾아낸 소재는 실제 DLP 3D 프린터에서도 안정적으로 출력됐으며, 잡아당겨도 쉽게 끊어지지 않고 원래 길이의 6배 이상 늘어나는 높은 신축성을 보였다.

연구팀은 실제 활용 가능성을 확인하기 위해 이 소재로 '소프트 액추에이터'를 3D 프린팅했다. 소프트 액추에이터는 공기압 등을 이용해 사람의 근육처럼 부드러운 움직임을 만들어내는 장치다. 공기를 넣자 풍선처럼 부풀면서 사람의 손가락처럼 자연스럽게 휘어졌다.

여러 개의 액추에이터를 결합해 만든 소프트 로봇 손은 1kg짜리 물병을 들어 올렸으며, 깨지기 쉬운 달걀부터 유리병, 달걀판, 컴퓨터 마우스까지 모양과 단단한 정도가 다른 물체를 안정적으로 잡는 데 성공했다.

연구팀은 AI가 실험 데이터를 바탕으로 유망한 소재 조합을 먼저 찾아내고 연구자가 이를 실험으로 검증하는 방식으로 시행착오와 소재 개발 시간을 줄일 수 있을 것으로 기대했다.

강원대학교 춘천캠퍼스 농업생명과학대학 스마트팜융합바이오시스템공학과 임기택 교수팀은 최근 가천대 김종성 교수팀, 한국교통대 이용규 교수팀과 함께 3D 프린팅 기반의 자가발전 무선 센싱 전자피부를 개발했다.

기존 웨어러블 바이오 전자기기는 인체 피부에 안정적으로 부착된 상태에서 신호를 전달하는 데 한계가 있었으며 직접 잉크 쓰기(DIW) 방식의 3D 프린팅 바이오잉크 역시 출력 정밀도를 높일수록 피부 접착력이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 TEMPO-산화 셀룰로오스 나노크리스탈(TOCNC)과 2차원 천이금속 탄화물인 맥신(MXene) 나노시트를 결합한 복합 네트워크 구조의 GACM 하이드로젤을 설계해 이 같은 한계를 극복했다.

개발된 전자피부는 TOCNC를 활용해 중공 삼각형과 파형, 벌집 구조 등 복잡한 형태를 정밀하게 3D 프린팅할 수 있으며 MXene 나노시트가 피부 조직과의 수소결합, 정전기적 인력, 공유결합 등 다중 계면 상호작용을 유도해 건조하거나 젖은 조직 표면에서도 안정적인 접착력을 발휘하도록 했다.

특히 이 전자피부는 외부 전원 없이 압전·전도성(Piezoionic) 메커니즘으로 인체 움직임을 감지하는 자가발전 센서 기능을 갖췄다. 

연구팀은 전자피부를 손목, 손가락, 무릎, 팔꿈치 등 인체 관절에 부착했을 때 1.77의 감도(Gauge Factor)로 미세한 움직임을 감지하고 최대 36.35mV의 전압 신호로 변환할 수 있는 것을 확인했다.

연구팀은 또 블루투스(BLE) 모듈과 회로를 연계해 사용자의 손가락 움직임 신호를 9.97ms 수준의 낮은 지연 시간으로 무선 전송하고 로봇 공학 핸드(Robot Hand)를 실시간으로 제어하는 무선 인간-기계 인터페이스(Wireless HMI) 성능을 입증했다.

아울러 해당 전자피부는 상처 부위의 pH 변화와 감염 상태를 감지해 천연 항균 물질인 커큐민(CuR)을 능동적으로 방출하는 지능형 약물 전달 기능도 갖췄으며 실험 결과 황색포도상구균(MRSA)과 대장균(E. coli)에 대해 99% 이상의 박테리아 증식 억제 효과 및 당뇨병 유발 쥐의 피부 결손 모델에서 14일 기준 약 88.67%의 상처 폐쇄율을 보였다.

이번 연구는 상처 보호용 드레싱을 넘어 환자의 움직임에서 에너지를 스스로 만들어 생체 전기 신호를 전달하고 약물 치료를 병행할 수 있는 지능형 자가발전 의료 스킨 플랫폼의 가능성을 제시한 것으로 평가받고 있으며 연구팀은 향후 무선 통신과 AI 기반 스마트 헬스케어 시스템 개발의 기반이 될 것으로 기대했다.

Tag

#소프트#로봇손#전자피부