△ 신개념 인공 근육 개발이 잇따르고 있다.

국내에서 웨어러블 의료기기, 의료 보조 장치 등에 활용할 수 있는 신개념 인공 근육을 잇따라 개발했다.

22일 의학계 등에 따르면 국내 연구진은 최근 고무처럼 늘어나다 단단해지는 소프트 인공 근육, 에너지 생산·저장하는 인공근육섬유, 골격근 조직 제작하는 바이오 미세유체 시스템 등을 만드는데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 교수팀은 최근 강성을 자유자재로 바꿀 수 있는 소프트 인공 근육을 개발했다.

UNIST에 따르면 소프트 인공 근육은 로봇, 웨어러블 기기, 의료 보조 장치 등에 활용되지만 무거운 물체를 들 땐 한계가 있다.

연구팀이 이번에 개발한 소프트 인공 근육은 하중을 지탱해야 하는 상태에선 딱딱해지고 이를 들어올려야 하는 상황에선 부드러워져 수축한다.

특히 딱딱한 상태에선 무게 1.25g에 불과한 이 인공 근육이 자기 무게의 약 4000배인 5㎏ 하중을 지탱할 수 있다. 반면 부드러운 상태에선 12배까지 늘어난다.

이 소프트 인공 근육은 무게를 들어 올리는 과정에서 원래 길이의 86.4%가 수축하는 변형률을 보였다. 이는 사람 근육(약 40%)보다 2배 이상 큰 수치다.

1㎥ 크기 근육이 얼마나 많은 일(에너지)을 할 수 있는지를 보여주는 '작업 밀도'도 정 교수팀이 개발한 소프트 인공 근육이 사람보다 30배 더 컸다.

연구팀은 이 인공 근육 안에 2가지 형태 결합이 나타나도록 형상기억고분자 소재를 설계했다고 설명했다.

근육의 화학적 결합은 고분자 사슬을 공유결합 으로 단단히 묶어 구조적 강도를 유지하게 하고, 물리적 결합은 열 자극에 따라 끊어졌다 다시 이어지며 근육을 유연하고 잘 늘어나게 만든다.

연구팀은 또 물리적 결합을 강화하기 위해 표면을 특수 처리한 자성 입자를 넣어 외부 자기장으로도 근육이 움직일 수 있도록 했다. 연구팀은 실제 자기장으로 근육을 움직여 물체를 집는 실험에도 성공했다.

연구팀은 소프트 로봇, 웨어러블 로봇, 사람과 기계가 유연하게 상호작용할 수 있는 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지환경연구부 임상규 책임연구원팀은 최근 친환경 소재인 폴리락트산(PLA)과 내구성이 뛰어난 바이오기반 열가소성 폴리우레탄(TPU)으로 실제 근육을 모방한 인공근육섬유를 만들었다.

PLA와 TPU의 비율과 섬유 구조를 정밀하게 조절해 대량 생산이 가능한 방식으로 설계했다.

특수 공정을 통해 기존 형상기억섬유보다 강도는 4.18배 향상됐고, 내구성도 뛰어나 50번 이상 반복 사용한 뒤에도 98% 이상 복원력을 유지한다. 또 자기 무게의 5만6000배에 이르는 하중도 견딜 수 있다.

단순히 형태를 기억하는 기능 말고도 압력으로 에너지를 생성할 수 있고, 1000번 이상 충전과 방전을 반복해도 초기 성능의 90% 이상을 유지하는 안정적인 에너지 저장 능력을 갖췄다.

연구팀은 새로 개발한 인공근육섬유를 첨단 섬유, 의료 로봇, 웨어러블 장치 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 내다봤다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 바이오미세유체연구실 전성윤 교수는 최근 기계공학과 심기동 교수와 함께 체외 3D 환경에서 골격근 조직을 제작하는 바이오 미세유체시스템을 개발했다. 

미세유체시스템은 반도체 회로 제조 등에 사용되는 포토리소그래피(Photolithography) 공정 등을 기반으로 제작되는 마이크로 스케일의 시스템이다. 세포 및 생체조직 배양, 유동 생성 및 제어 등에 활용된다. 

연구팀은 이번 연구에서 자체 개발한 미세유체시스템을 사용해 골격근 조직 배양에 있어 큰 비중을 차지하는 하이드로겔의 구성 성분, 겔화 시간, 세포의 농도를 조절해 다양한 조건에서 삼차원 근육 밴드를 제작했다. 

또 제작된 골격근 조직에 대해 근육의 수축력 및 반응 속도 측정과 함께 조직 형태, 기계적 특성, 골격근 성장 및 분화와 관련된 유전자 발현 비교 등 다양한 분석을 진행했다.

아울러 결과 분석을 통해 최적의 근육 조직 제작법을 확립했으며 이러한 최적의 제작법으로 배양했을 때 견고한 골격근 조직이 제작된 것을 확인했다.

이번 연구에서는 하이드로젤 특성이 3D 근골격계 조직 발달에 미치는 영향을 조사했다.

주요 연구 결과에 따르면 하이드로젤의 기계적 특성은 세포 분화와 조직 기능을 높인다. 

연구팀은 향후 골격근뿐 아니라 심장이나 골수와 같은 인공 생체 조직 제작에 도움을 주고 노화나 우주 미세중력등에 의한 근감소증을 비롯한 여러 근골격계 질병 연구에 활용 될 것으로 기대했다.