방송인 강호동 씨가 씨름 천하장사 시절 하체운동을 위해 짊어진 무게는 250㎏이 넘는 것으로 알려져 있다. 그를 본떠 만든 로봇에 인공근육을 붙인다면 최대 몇 ㎏까지 들어 올릴 수 있을까.
인간의 근육처럼 부드러우면서도 순간적으로 강한 힘을 내는 인공근육 연구가 세계적으로 활발하다. 엔진과 와이어, 기어 등으로 힘을 발생시켜 전달하는 기계 구동 방식보다 부품 수가 적고 가벼우면서도 인체와 비슷한 동작이 가능하기 때문이다. 궁극적으로는 사람과 똑같이 움직이는 휴머노이드 로봇을 만드는 데 인공근육이 필요하다.
신소재 인공근육, 사람보다 17배 강력
13일 과학계에 따르면 김상욱 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀은 사람의 근육보다 최대 17배 강한 힘을 내는 인공근육 합성에 성공했다. 연구 성과는 최근 국제학술지 네이처 나노테크놀로지 표지 논문으로 발표됐다. 인공근육을 장착한 ‘강호동 로봇’을 상상하면 순간적으로 한우(700㎏) 여섯 마리를 짊어지는 4250㎏의 힘을 내는 셈이다.
인공근육은 생체근육의 움직임을 모방해 수축·이완하는 물질이다. 근육은 머리카락처럼 가늘고 긴 근섬유로 이뤄져 있다. 근섬유는 액틴과 마이오신이라는 단백질로 구성된다. 뇌에서 움직이라는 전기신호를 전달하면 액틴이 마이오신 사이로 미끄러져 들어온다. 근섬유의 길이가 짧아지고 단단해지면서 힘이 발생한다. 사람이 이두박근을 수축시켜 팔꿈치를 구부릴 때 이런 원리가 숨어있다.
김 교수 연구팀은 액정탄성체(LCE)와 그래핀을 합성했다. 액체와 고체 결정의 특성을 모두 가진 신물질 LCE는 고무처럼 탄성이 좋다. LCE는 100도 이상의 열이 가해지면 길이가 짧아진다. 그러나 약하다는 단점이 있다. 연구팀은 여기에 신소재 그래핀을 섞어 실 형태로 뽑았다. 탄소 원자가 2차원으로 육각 벌집 모양을 이룬 그래핀은 부드러우면서도 내구성이 강하다. 빛을 받으면 열을 내는 성질도 있다.
연구팀은 인공근육에 레이저를 쏴 열을 발생시켰다. LCE가 수축하며 힘을 냈다. 이 과정에서 떨어져 있던 그래핀끼리 연결되면서 전체적으로 단단해졌다. 실험 결과 인공근육 1000가닥(길이 1.5㎝, 무게 0.2g)은 자체 무게의 5000배인 1㎏ 아령을 0.5㎝ 이상 들었다.
김 교수는 “그동안 나온 인공근육 연구 중 수축률, 운동량 등을 종합했을 때 가장 우수한 성과”라며 “인공근육 가닥 사이에 전기가 흐르면 빛을 내는 광섬유를 삽입할 경우 외부에서 쏴주는 레이저 없이도 실제 인간의 움직임을 구현할 수 있을 것”이라고 말했다.
웨어러블 로봇 고도화 가능
인공근육을 만들기 위한 노력은 많았다. 작년 5월 오일권 KAIST 교수 연구팀은 온도가 올라가면 미리 기억된 형태로 수축하고, 온도가 내려가면 이완되는 형상기억합금과 구리 나노와이어를 활용한 인공근육을 개발했다. 실제 손과 비슷한 속도로 움직이는 의수를 제작해 달걀을 깨지지 않게 잡고 피아노를 연주해 보이기도 했다.크리스토프 케플링거 미국 콜로라도 볼더대 교수팀은 2018년 얇은 고무막 속 액체의 흐름을 전기로 제어하는 방식으로 인공근육을 구현했다. 미세하게 움직임을 제어할 수 있어 연약한 과일인 라즈베리 한 알을 망가뜨리지 않고 집어서 옮기는 실험에 성공했다. 전압을 세게 걸면 더 큰 힘을 낼 수 있었다. 전압을 2만5000V까지 높이자 4㎏ 물통을 5㎝ 이상 끌어 올렸다.
로버트 우드 미국 하버드대 교수와 대니엘라 러스 매사추세츠공대(MIT) 교수 공동연구팀은 종이접기의 원리와 공기 압력을 이용한 인공근육을 개발했다. 이들은 실생활에서 쉽게 볼 수 있는 저렴한 플라스틱 주머니를 지그재그 모양으로 접으면서 기술을 발전시켰다. 주머니 내부 공기를 빨아들여 수축할 때 물체를 잡는다. 2.6g 근육이 3㎏ 물체를 집어 올렸다.
이 밖에 고탄성 실을 그물망으로 엮은 뒤 태엽처럼 감았다가 풀면서 자체 탄력으로 힘을 내거나, 전기가 흐르면 수축하는 전기활성 고분자를 활용하는 등 다양한 방식의 인공근육이 개발되고 있다.
인공근육은 부상 군인 등의 의·수족 고도화와 신경마비 환자나 공장 작업자 등이 착용하는 웨어러블 로봇에 적용할 수 있다. 딱딱한 기계 부품보다 무게 대비 낼 수 있는 힘이 커 착용자의 등과 허리에 걸리는 부하를 없애주면서 강한 힘을 낼 수 있다. 우주 탐사 등 극한 환경에서도 활용이 기대된다.
김진원 기자 jin1@hankyung.com
관련뉴스
