왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 박용래 교수, 조지연 연구원 / 사진. 서울대학교
서울대학교 공과대학의 기계공학부 박용래 연구팀이 감각과 운동 기능을 동시에 수행하는 ‘지능형 인공근육’을 개발했다고 밝혔다. 이번 기술은 생물의 근육-힘줄 복합체(Muscle-Tendon Complex)를 모사해 로봇이 외부 환경을 인식하면서 동시에 움직일 수 있도록 설계된 점이 특징이다.
연구팀이 개발한 인공근육은 액정탄성체(Liquid Crystal Elastomer, LCE)에 액체금속 채널을 결합한 구조다. 전기 자극이 가해지면 수축하면서 내부 힘과 길이를 스스로 측정할 수 있어, 기존처럼 구동기와 센서를 분리해 구성해야 했던 한계를 극복했다. 이로써 수의신경계와 감각신경계를 동시에 구현하는 ‘물리적 지능(Physical Intelligence)’ 기반 구동 기술을 제시했다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 Advanced Materials에 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.
최근 휴머노이드 로봇과 물류 자동화, 재활·의료기기 분야에서는 사람처럼 섬세하게 물체를 다루고 환경을 인식할 수 있는 구동 기술에 대한 요구가 커지고 있다. 그러나 기존 인공근육은 구동과 감지 기능이 분리돼 있어 별도의 센서와 복잡한 제어 시스템이 필요하다는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 등방성(Isotropic) LCE와 네마틱(Nematic) LCE를 직렬 결합한 단일 구조를 설계했다. 등방성 LCE는 모든 방향에서 균일한 물성을 유지하며 힘줄 역할을 수행하고, 네마틱 LCE는 특정 방향으로 정렬된 분자 구조를 통해 근육처럼 큰 변형을 구현한다. 여기에 삽입된 두 개의 액체금속 채널은 각각 구동과 감지 기능을 담당해, 별도 센서 없이도 힘과 변형을 정밀하게 인식할 수 있도록 했다.
연구진은 해당 인공근육을 로봇 손가락과 그리퍼 시스템에 적용해 실제 성능을 검증했다. 그 결과 물체의 크기와 강도를 스스로 구분하면서도 섬세한 조작이 가능한 것으로 나타났다. 특히 두 개의 인공근육을 서로 반대 방향으로 배치한 ‘길항쌍(Antagonistic Pair)’ 구조를 통해 수축과 이완을 정밀하게 제어하며 빠른 응답성과 높은 정밀도를 확보했다.
서울대학교 기계공학부 박용래 교수는 “이번 인공근육은 생물학적 근육의 구조와 기능을 재현해 로봇이 주변 환경과 더욱 유연하고 민감하게 상호작용할 수 있도록 한다”라며 “휴머노이드, 의료 및 재활 로봇, 소프트 로봇 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연구팀은 향후 인공근육의 냉각 속도를 높이기 위한 구조 최적화와 능동 냉각 기술 개발을 추진할 계획이다. 또한 이번 논문의 주저자인 조지연 연구원은 현재 박사과정에서 인공근육 자동화 제작 기술을 고도화하는 후속 연구를 진행 중이며, 향후 박사후연구원으로 관련 연구를 이어갈 예정이다.
한편 이번 연구는 서울대학교와 University of California, San Diego의 협력으로 수행됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다.
