이미지 출처: Max Plank 연구소
독일 슈투트가르트에 있는 막스 플랑크 지능형 시스템 연구소(MPI-IS), 오스트리아 린츠에 있는 요하네스 케플러 대학교(JKU), 미국 볼더에 있는 콜로라도 대학교(CU 볼더)의 국제 연구팀은 소프트 로봇 공학의 최전선에 지속 가능성을 도입했다.
그들은 함께 젤라틴, 오일 및 바이오플라스틱으로 만든 완전 생분해성 고성능 인공 근육을 개발했습니다. 과학자들은 특히 폐기물 수거와 같은 일회용 응용 분야에 유용한 로봇 그리퍼를 애니메이션화하는 데 사용하여 이 혁신적인 기술의 잠재력을 보여주었다. 이러한 인공 근육은 시립 퇴비통에 폐기할 수 있으며 모니터링된 조건에서 6개월 이내에 완전히 생분해 된다.
MPI-IS의 로봇 재료 부서에서 일하는 CU Boulder의 방문 과학자이자 논문의 공동 제1저자인 Ellen Rumley는 소프트 로봇 공학에서 지속 가능한 재료의 중요성을 강조한다.
“생분해성 부품은 특히 의료 작업, 수색 및 구조 임무, 유해 물질 조작과 같은 일회용 응용 분야에 지속 가능한 솔루션을 제공할 수 있다. 제품 수명이 끝날 때 매립지에 쌓이는 대신 미래의 로봇은 미래의 식물 성장을 위한 퇴비가 될 수 있다.”
생분해성 HASEL 인공근육 개발
연구원들은 HASEL(유압식 증폭 자가 치유 정전기 액추에이터)이라는 전기 구동 인공 근육을 만들었다. HASEL은 전극이라고 하는 한 쌍의 전기 전도체로 부분적으로 덮인 오일로 채워진 플라스틱 파우치이다. 전극 쌍에 고전압이 가해지면 반대 전하가 축적되어 파우치의 전극이 없는 영역으로 오일을 밀어내는 힘을 생성한다. 이 오일 이동으로 인해 주머니가 실제 근육과 유사하게 수축된다. HASEL이 변형되기 위해서는 플라스틱 파우치와 오일에 사용되는 재료가 전하 전극에서 생성되는 높은 전기적 스트레스를 견딜 수 있는 전기 절연체여야 한다.
핵심 과제는 전도성이 있고 부드러우며 완전히 생분해되는 전극을 개발하는 것이었다. JKU의 연구원들은 HASEL 액추에이터에 직접 캐스팅할 수 있는 바이오폴리머 젤라틴과 염의 혼합물을 사용하여 레시피를 만들었다.
이 프로젝트의 공동 제1저자이자 JKU의 Soft Matter Physics Division의 과학자인 David Preninger는 다음과 같이 설명한다.
"이러한 고성능 애플리케이션에 적합한 전극을 만드는 것이 중요했지만 쉽게 사용할 수 있는 구성 요소와 접근 가능한 제조 전략이 있다."
이미지 출처: Max Plank 연구소
전기 성능 및 생분해성 플라스틱
다음 장애물은 적절한 생분해성 플라스틱을 식별하는 것이었다. 엔지니어는 일반적으로 수천 볼트에서 작동하는 HASEL의 요구 사항인 전기 절연보다 열화율 및 기계적 강도와 같은 요소를 우선시한다. 그러나 특정 바이오플라스틱은 젤라틴 전극과의 우수한 재료 호환성 및 충분한 전기 절연성을 입증했다.
하나의 특정 재료 조합을 통해 HASEL은 전기 고장이나 성능 손실 없이 수천 볼트에서 100,000회의 작동 주기를 견딜 수 있었다. 이러한 생분해성 인공 근육은 전기 기계적으로 비생분해성 근육과 경쟁하여 인공 근육 기술의 지속 가능성을 촉진한다.
Ellen Rumley는 연구의 영향에 대해 자세히 설명한다.
“이 새로운 재료 시스템의 뛰어난 성능을 보여줌으로써 우리는 로봇 공학 커뮤니티가 생분해성 재료를 로봇 제작을 위한 실행 가능한 재료 옵션으로 고려하도록 인센티브를 제공하고 있다. 우리가 바이오 플라스틱으로 이렇게 훌륭한 결과를 얻었다는 사실이 다른 재료 과학자들이 최적화된 전기적 성능을 염두에 두고 새로운 재료를 만들도록 동기를 부여할 수 있기를 바란다.”
미래 전망 및 응용 프로그램
생분해성 인공근육의 개발로 로봇공학의 미래를 열어간다. 지속 가능한 재료를 로봇 기술에 통합함으로써 과학자들은 특히 일회용 장치가 널리 사용되는 응용 분야에서 로봇의 환경 영향을 줄일 수 있다. 이 연구의 성공은 더 많은 생분해성 구성 요소를 탐색하고 완전히 환경 친화적인 로봇을 설계할 수 있는 길을 열어준다.
생분해성 소프트 로봇의 잠재적인 응용 분야는 폐기물 수집 및 의료 작업을 넘어 확장된다. 이 로봇은 환경 모니터링, 농업, 심지어 가전제품에도 사용될 수 있어 매립지의 부담을 줄이고 순환 경제에 기여할 수 있다.
연구가 계속됨에 따라 팀은 생분해성 인공 근육을 만드는 데 사용되는 재료와 공정을 더욱 개선할 계획이다. 재료 과학 및 로봇 공학의 다른 전문가들과 협력하여 지속 가능한 소프트 로봇 분야를 발전시킬 새로운 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 연구원들은 다양한 산업 분야에서 생분해성 재료의 채택을 장려하여 기술 개발에 대한 보다 친환경적인 접근 방식을 촉진하기를 희망한다.
이 국제 연구팀의 획기적인 작업은 소프트 로봇 공학의 보다 지속 가능한 미래를 향한 중요한 단계를 나타낸다. 생분해성 인공 근육의 생존 가능성과 성능을 보여줌으로써 녹색 기술의 발전을 위한 길을 닦고 로봇 커뮤니티가 그들의 창조물에 대한 지속 가능한 대안을 고려하도록 영감을 주고 있다.
