10대 미래기술, 인공근육에 관하여
인공근육의 개발 역사
필요성과 향후 발전 계획
[객원 에디터 6기 / 한동욱 기자] 인공근육이 10대 미래 기술로 선정되면서, 발전가능성에 관심이 모아지고 있다. 이는 로봇공학, 의료 및 웨어러블 장치 분야에서 다양하게 응용될 가능성을 가지고 있는 기술이다. 세계 최대 화학·소재 분야 학술기관 국제화학연합(IUPAC)이 선정한 ‘2023년 10대 유망기술’에 KAIST의 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 2022년 개발한 헤라클레스 인공 근육 기술이 포함됐고, 같은 학교 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 초저전력으로 구동하며 무게 대비 34배의 큰 힘을 내는 이온성 고분자 인공 근육을 이용한 유체 스위치를 개발했다고 4일 밝혔다.
인공근육이란 생체인공근육의 움직임과 기능을 모방하여 외부 신호 및 자극에 반응하여 가역적인 기계적 움직임을 가지는 구동기로 다른 소재와 기술을 통합하여 신체부위와 유사하게 만들어질 수 있다. 인공근육에 관련해 바이오니클 손(대체해 주는 로봇 손), 인공 팔다리 및 의료 보조기기에서의 활용은 이미 현실화되었으며, 연구자들은 근육의 형태와 기능을 모방하는데 중점을 두고 있다. 인공 근육의 발전은 인간과 로봇 간의 상호작용과 이해력을 높이는 데 기여할 뿐만 아니라, 다양한 분야에도 적용될 수 있다.
인공근육은 사용범위가 굉장히 넓다. 우선 로봇과학에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어 인간의 근육과 비슷한 움직임과 힘을 생성하는 능력은 로봇이 환경에 더 적응하고 다양한 작업을 수행할 수 있도록 도와준다. 이는 로봇을 이해하여 더 많은 일을 할 수 있게 도와줄 수 있는 일이다. 또한, 인공 근육은 신체 기능이 제한된 사람들을 지원하는 보조기기나 의료 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어 헤라클레스 인공 근육과 같은 기술들은 근육 손상이나 신경 질환으로 인한 운동 능력 저하를 보완하고, 환자들의 삶의 질을 향상할 수 있다.
인공근육의 시작은 1950년대, 이산화탄소 인공근육이다. 이러한 근육은 전기 자극을 통해 수축하도록 설계되었지만, 제어와 안전성 등의 문제로 상용화되지는 않았다. 이후, 1960년대에는 고무와 유사한 탄성을 가진 재료를 사용한 인공근육이 개발되었다. 이러한 근육은 압력이나 온도 변화에 반응하여 수축하도록 설계되었다. 이제 현재에서는 인체 친화적 재료를 쓰기 시작했다. 이를 이어 1980년대에는 전기 활성화 인공근육이 개발되었다. 1980년대에는 전기 자극에 의해 근육을 활성화시키는 방식의 개발이 진전되었다. 이를 통해 더 정교한 운동이 가능하게 되었고, 의료 및 로봇 공학 분야에서 활용될 수 있었다. 이때 EAP(전기 활성 고분자)가 개발되면서 인공근육에 큰 영향을 준다. 이 EAP는 전자 소재이므로 전기적 자극을 받았을 때 기계적 반응을 보인다.
최근에는 나노 기술과 같은 현대 재료 과학의 발전으로, 더욱 유연하고 강력한 인공근육이 개발되고 있다. 제일 최근에 발전되고 있는 나노 인공근육은 탄소 나노튜브가 만들어졌다. 탄소 나노튜브는 인공근육 분야에 혁명을 일으키며, 뛰어난 강도와 미세한 구조를 제공하였다. 이는 더 섬세한 전기 신호에도 반응할 수 있는 인공근육을 가능하게 했다. 예를 들어 Nantero, Nanotek Instruments, Inc., SRI International 같은 회사들은 탄소 나노튜브와 같은 나노 기술을 활용하여 인공근육을 포함한 의료 연구와 로봇 발전기술에도 쓰이고 있다. 앞서 10대 미래 기술로 선정된 KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀의 헤라클레스의 인공근육은 그래핀 나노 복합소재를 이용해 기존 인간 근육보다 17배 더 강한 고기능성 인공근육을 탄생시킨 사례이다. 그래핀과 탄소나노튜브 복합 섬유의 제조방법은 높은 정전용량을 갖는 인공 근육을 제공할 수 있어 동일한 전압 범위에서 우수한 인장 수축률을 발휘할 수 있다.
향후 인공근육의 개발에는 새로운 재료 기술의 혁신이 필요하다. 예를 들어 더 유연한 소재를 만들어 나노소재와 같은 신소재들로 실험을 해보는 것이 중요하다. 또한 뇌와 기계에 관한 인터페이스를 개선해야 한다. 이는 근육이 뇌에 더욱 효과적으로 연결할 수 있도록 해야 한다. 이를 통해 사용자는 더 정확하고 자연스럽게 제어할 수 있는 시스템을 사용할 수 있을 것이다. 나중에는 인공근육이 사람과 로봇에 사용되어 로봇은 모터 없이도 실용 가능해지고, 사람은 근육을 대체할 수 있는 시대가 올 가능성이 있다.
