경북대는 김학린 전자공학부 교수팀이 위정재 한양대 교수팀과 공동 연구를 통해 급격한 경사면과 액체 등 다양한 외부 환경에서 빠른 속도의 이동 및 조향 제어가 가능한 '광감응 롤링 소프트 로봇'을 개발했다고 27일 밝혔다.
소프트 로봇은 유연하고 부드러운 몸체를 가진 로봇을 의미한다. 간단한 구동 시스템과 외부 환경에 쉽게 적응하는 소재·구조적 장점으로 주목받고 있다. 별도 전원부 유선 연결 없이 빛·압력·습도·화학물질에 노출되는 것만으로도 외부 자극에 반응해 사전 설계된 다양한 동작을 구현할 수 있다.
연구팀은 여러 동작 유형 중 빛에 감응해 구현되는 롤링 동작에 주목했다. 롤링 동작을 성공적으로 수행하기 위해서 소프트 로봇은 외부 자극으로 몸체가 가역적으로 변형돼 지속적인 회전력(토크)를 생성하는 능력이 필요하다. 기존 소프트 로봇은 롤링 동작 수행을 위해 대부분 원통, 막대 등 원형 대칭 구조를 가진다.
이로 인해 회전 과정에서 회전축의 비대칭 구부림 변형이 되지 않아 앞뒤 롤링은 가능하나 장애물 등에 대응하거나 방향 전환에 어려움이 있어 활용 범위가 제한적이다. 최근에는 방향 조절 기능을 위한 추가적인 번들 구조를 부착하는 시스템이 소개되고 있지만 구조적 한계로 매우 느린 이동 속도를 보인다.
연구팀은 광 자극에 반응하는 아조벤젠(azobenzene) 분자가 액정 모노머(monomer)와 결합한 형태인 아조-액정 고분자 소재를 이용했다. 이 소재를 가지고 모래시계 형태과 같이 가장자리에서 중심부로 갈수록 너비가 좁아지는 센터 테이퍼드(center-tapered) 형태의 스트립(strip)을 설계해 빛을 받으면, 마찬가지로 같은 센터 테이퍼드 형태의 헬리코이드 헬릭스(helicoid helix) 구조로 변형되는 구조를 제안했다.
헬리코이드 헬릭스 구조는 빛을 받으면 스트립이 비틀리고자 하는 힘(비틀림 토크) 이 발생하며, 이를 기반으로 빠른 회전 속도와 함께 앞뒤 롤링 방향 직진 제어성을 보여줬다. 또 빛 위치별로 다른 세기를 가지도록 패터닝해 구조체에 조사함으로써 회전축을 원하는 방향으로 구부릴 수 있다. 특히 헬릭스 구조의 꼬임 정도를 위치별로 다르게 설계해 중심부 영역은 타이트한 헬릭스 주기는 가지는 헬리코이드 구조, 축 가장자리는 바퀴 형태의 큰 지름을 가지는 헬레코이드 헬리스 구조로 구현해 운동성과 조향 안정성을 더욱 향상시켰다.
김학린 교수는 “개발된 광감응 롤링 소프트 로봇은 평지뿐만 아니라 급격한 경사면과 수면에서도 우수한 회전 운동성을 기반으로 원활한 이동 및 조향이 가능하다. 이러한 특성들을 구현해 향후 전원이 필요없는 무선 원격제어가 가능한 소형 소프트 로봇 개발에 많은 아이디어를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.
한국연구재단 중견연구사업과 산업통상자원부 알키미스트사업 지원으로 수행된 이번 연구의 교신저자는 경북대 김학린 교수와 한양대 위정재 교수이며, 공동 제1저자는 경북대 박사졸업생인 한국과학기술연구원 최준찬 박사와 인하대 전지수 박사다.
연구결과는 26일 와일리(Wiley) 출판사가 발간하는 세계적 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)의 대표 표지논문에 선정돼 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
