국제 연구팀은 고강도 고분자 섬유를 기반으로 해서 인공 근육을 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 인공 근육은 낚시-줄 또는 봉사(sewing thread)를 만드는데 사용되는 간단한 고분자로 제조될 수 있기 때문에 복잡하거나 고가의 재료를 필요로 하지 않는다. 가열될 때, 이 섬유는 생물학적 근육보다 훨씬 더 짧거나 길게 만들 수 있고, 온도에 민감한 윈도우 셔터, “스마트(smart)” 의복, 로봇 등과 같은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다.
일부 자극에 반응하면서 팽창과 수축을 반복하는 재료들은 로봇 공학에 매우 유용하다. 그들은 “액추에이터(actuator)” 또는 인공 근육 섬유를 만드는데 사용될 수 있고, 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 장치를 더 작게 만들 수 있게 한다. 이러한 재료를 제조하기 위한 수많은 연구들을 통해서 형상 기억 물질 또는 전기 감응성 고분자(electroactive polymer)가 개발되었다. 전기 감응성 고분자는 전기장에 반응해서 형상이 변한다. 그러나 이들 모든 재료들은 제한을 가지고 있다. 형상 기억 금속들은 제한된 수의 사이클 후에 파괴될 수 있고, 다양한 양의 히스테리시스(상을 변화시키는 자기저항)를 가진다. 전기장으로 구동되는 고분자는 전기장 하에 비실용적으로 높은 변화들을 필요로 할 수 있다. 또한 이런 모든 재료들(특히, 탄소 나노튜브 실)은 매우 특별하고 비용이 많이 들 수 있다.
이 연구에서, 텍사스 대학의 댈러스 컴퍼스(University of Texas at Dallas)의 연구진은 더 간단한 방법을 제안했다. 대부분의 재료와는 달리, 고분자 섬유는 가열될 때 짧아지는 경향을 가지고 있다. 이것은 시스템의 엔트로피가 증가할 때 고분자 사슬이 더 무질서해지기 때문이다. 이런 수축은 굉장히 적게 일어난다. 즉, 250K에서 약 4 % 정도의 수축이 발생한다. 그러나 더 중요한 점은 사슬이 더 무질서하게 될 때 섬유는 더 두껍게 된다는 것이다.
이번 연구진은 열적 수축을 강화하거나 반전시키기 위해서 이런 방사형 팽창을 이용하는 간단한 방법을 개발했다. 이번 연구진은 매우 정렬된 선형 고분자 사슬로 구성된 섬유을 이용했고, 이것을 반복적으로 비틀어서 사슬이 나선으로 변하게 만들었다. 가열된 섬유가 방사형으로 팽창될 때, 이것은 각각의 사슬의 나선형 경로의 길이를 증가시켰고, 이로 인해서 꼬인 부분을 풀려는 고분자 사슬 속의 장력이 증가하기 때문에 섬유 위에 토크가 생성된다.
그 후에, 이번 연구진은 꼬인 섬유를 코일 형태로 감았다. 이번 연구진은 섬유가 꼬인 것과 동일한 방향으로 감는다면 가열로 인한 풀림 토크 때문에 코일이 조여져서 49%까지 수축하게 된다는 것을 증명했다. 놀랍게도, 코일이 반대 방향으로 감겨 있다면, 가열은 코일이 69%까지 늘어나게 한다. 이것은 인간의 골격근보다 우수하다. 즉, 근육이 에너지를 몇 배 더 효율적으로 사용하지만, 이 고분자 실은 최대 약 20%까지 확장되고 수축될 수 있다.
근육의 기본적인 기계적 특성들은 일반 상점에서 구입할 수 있는 많은 고분자들에게서 발견된다. 고강도 근육을 제조하기 위해서, 이번 연구진은 폴리에틸렌 낚시줄과 나일론 재봉사와 같은 강한 고분자에 초점을 맞추었다. 이것을 사용해서, 이번 연구진은 고분자 근육이 온도의 변화에 반응해서 열리고 닫히는 셔터 또는 온도가 증가할 때 기공이 열리는 직물과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다는 것을 증명했다. 향후에, 이것은 착용한 사람의 몸이 너무나 뜨거워지면 이런 열을 제거할 수 있는 의복에 사용될 수 있을 것이다. “우리는 이것을 만드는데 많은 진보를 이루었기 때문에 이런 인공 근육들은 상업적으로 곧 적용될 수 있을 것이다. 그들은 저렴하게 만들 수 있고, 전구체를 만들지 않아도 매우 쉽게 많은 근육을 만들 수 있다”고 이번 연구진은 말했다.
이번 연구진은 이 연구의 가장 가치 있는 부분이 기하학적 효과이라고 믿고 있다. 200 K 이상의 온도 변화에서 큰 변형률을 가지지만, 꼬인 형태를 가진 코일은 제조된 섬유를 강화시킨다. 이것은 매우 흥미로운 방법이고, 형상 기억을 가진 고분자 실이 출시되는데 많은 영향을 끼칠 것이다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread”라는 제목으로 게재되었다.
* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
