독일의 자를란트 대(University Saarland) 소속 공학자들이 형상 기억 와이어로 만든 근육을 가진 인공 손(artificial hand)을 이용하여 인간의 손을 모방하고 있다. 이 새로운 기술은 산업적 용도나 새로운 인공 의수 장치로 사용될 수 있는 유연하고 경량인 로봇 손(robot hand)을 만들 수 있게 한다. 

이 인공 손에 사용된 근육 섬유는 줄어들거나 늘어날 수 있는 미세한 니켈-티타늄 합금 와이어 다발로 구성된다. 이 재료 자체는 센서 특성을 가져서 인공 손이 매우 정확한 운동을 수행할 수 있게 한다. 

스테판 질렉케(Stefan Seelecke) 교수가 이끄는 연구팀은 2015년 4월 13일에서 4월 17일까지 독일의 하노버 박람회장에 열리는 세계에서 가장 큰 산업 전시회에서 자신들이 개발한 시작품 인공 손과 이 인공 손이 형상 기억 금속 근육을 어떻게 이용하는지를 전시할 예정이다. 

사람의 손은 완벽한 도구이다. 수백만 년에 걸쳐 개발된 이러한 손의 설계는 분명히 완전히 발달되었다고 말할 수 있다. 손은 놀랍도록 움직임이 자유롭고 적응성이 높다. 근육, 인대, 힘줄, 뼈, 신경 사이의 완벽한 상호작용은 이에 기초하여 유연한 도구를 만들려고 하는 욕구를 오랫동안 충족시켜 왔다. 

독일 자를란트 대와 메카트로닉스 및 자동화 기술 센터(ZeMA)의 스테판 질렉케 교수가 이끄는 연구팀은 니켈-티타늄 합금의 형상 기억 특성에 기초한 새로운 기술을 이용하고 있다. 공학자들은 지름이 인간의 머리카락이 가진 지름과 비슷하며, 줄어들거나 늘어날 수 있는 매우 가는 와이어로 만들어진 근육을 가진 인공 손을 제작하였다. 

“형상 기억 합금(SMA: shape memory alloy)으로 만든 와이어는 다른 기술에 비하여 현저한 장점을 제공한다”고 스테판 질렉케 교수가 말했다. 현재까지 산업적 제품 생산 라인에서 사용되는 로봇 손과 같은 인공 손은 많은 복잡한 배경 기술에 의존하고 있다. 이러한 인공 손은 전기 모터나 공압 장치와 같은 다른 장비나 장치에 의존하기 때문에 무겁고, 상대적으로 경직되어 있고, 때때로 시끄럽고 비싸다. 

“반면에 형상 기억 합금 와이어로 된 인공 근육을 이용하여 제조된 도구는 추가적인 장비 없이 일을 수행할 수 있어 가볍고, 유연하며, 높은 적응성을 가질 수 있다. 이들은 조용하게 동작하며, 만들기에 상대적으로 저렴하다. 그리고 이러한 와이어는 모든 알려진 구동 메커니즘 가운데서 가장 높은 에너지 밀도를 가져서 제한된 공간에서 강력한 동작을 수행할 수 있게 한다”고 스테판 질렉케 교수가 설명했다. 

‘형상 기억(shape memory)’이라는 용어는 와이어가 자신의 형상을 기억하고, 변형된 후에 원래의 미리 결정된 형상으로 복귀할 수 있다는 사실을 나타낸다. “니켈-티타늄 합금의 이러한 특성은 재료 내부에서 발생하는 상변화(phase change)의 결과이다. 만약 와이어가 예를 들어 전기를 통하게 되어 따뜻하게 되면, 이 재료는 자신의 격자 구조를 변환시켜서 근육처럼 수축하도록 만든다”고 스테판 질렉케 교수가 말했다.

공학자들은 인공 손에서 근육의 역할을 수행하는 스마트 와이어를 사용한다. 여러 가닥의 형상 기억 와이어가 손가락 관절을 연결하며, 사람의 손가락 앞쪽에 있는 굴근(flexor muscle) 및 손가락 뒤쪽에 있는 신근(extensor muscle)으로 동작한다. 

빠른 움직임을 수행하기 위하여 공학자들은 인간의 근육 섬유를 모방하도록 미세한 와이어를 묶음으로 분류하였고, 이를 통하여 인간 근육의 구조를 모방하였다. 이러한 와이어 묶음은 면사(cotton thread)처럼 아주 가늘지만, 두꺼운 전선과 같은 인장 강도를 가진다. 

“와이어 묶음은 높은 인장력을 발휘하면서도 빠르게 신축운동을 수행할 수 있다”고 박사과정 연구의 일부로 인공 손의 시작품을 연구하고 있는 공학자인 필로메나 시몬(Filomena Simone)이 설명하였다.

“이러한 거동의 원인은 신속한 냉각이며, 이것은 많은 개별 와이어가 열을 방사시킬 수 있는 더 큰 표면 면적을 가지기 때문에 가능하다. 하나의 두꺼운 와이어와 달리 미세 와이어의 묶음은 인간의 근육에서 관찰되는 것과 동등한 신속한 수축과 팽창을 겪을 수 있다. 결과적으로 우리는 빠르고 부드러운 손가락 동작을 구현할 수 있다”고 필로메나 시몬이 설명하였다.

형상 기억 금속 와이어를 사용하는 또 다른 효과는 이러한 인공 손이 특정한 움직임을 수행하는 도중에 누군가가 개입하였을 때 자연스러운 방식으로 반응할 수 있다는 것이다. 이것은 문자 그대로 인간이 시작품 장치와 서로 손을 잡고 일할 수 있음을 의미한다.

반도체 칩이 형상 기억 합금 와이어의 상대적인 운동을 제어하여 정확한 동작이 수행되도록 한다. 그리고 이 시스템은 센서를 필요로 하지 않는다. “와이어의 소재는 센서 특성을 가진다. 제어기 유닛은 전기 저항에 대한 측정 데이터를 해석하여 어느 때라도 와이어의 정확한 위치를 알 수 있다”고 스테판 질렉케 교수가 말했다. 이것은 손과 손가락을 높은 정밀도로 움직일 수 있음을 의미한다. 

연구팀은 자신들의 시작품 시스템을 2015년 하노버 산업 박람회에 전시할 예정이며, 손잡기 동작과 개별 손가락에 대한 제어된 움직임을 시연하여 이 기술의 잠재력을 전시할 예정이다. 

연구자들은 이 시작품을 계속 개발하고, 인간의 손을 모사하는 방식을 개선하기를 원한다. 여기에는 손동작 패턴을 모델링하고 형상 기억 합금 와이어의 센서 특성을 이용하는 것이 포함될 것이다. 연구팀은 투자와 상업화를 위한 개발 파트너를 찾고 있다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』