파리지옥에서 착안한 이온성 고분자 소재 ‘이오노그래스퍼’… 빛 끈 뒤에도 형태 10분 이상 유지
파리지옥은 먹잇감의 자극을 느끼면 잎을 닫아 붙잡는다. KAIST 연구진은 여기에서 착안해 물체의 접근을 느끼는 피부와 물체를 붙잡는 근육의 역할을 하나의 부드러운 소재에 담았다. KAIST는 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 주변 물체를 감지하고 빛에 반응해 움직이는 이온성 소프트 로봇 ‘이오노그래스퍼(Ionograsper)’를 개발했다고 30일 밝혔다. 이온성 소재란 내부에 전하를 띤 작은 입자인 이온이 있어 주변의 전기적 변화에 반응할 수 있는 소재를 말한다.
사람은 눈이나 피부로 물체를 알아차리고 근육을 움직여 잡는다. 로봇에도 주변을 감지하는 센서와 움직임을 만드는 구동부가 필요한데, 부드럽게 휘어지는 소프트 로봇에 이 장치들을 따로 붙이면 부품과 배선이 늘어나 구조가 복잡해진다. 연구팀은 로봇의 피부와 근육 역할을 하나의 부드러운 고분자 소재에 통합했다. 빛을 받으면 모양이 바뀌는 ‘아조벤젠’과 공기 중 수분을 흡수하는 고분자를 결합해 내부에서 이온이 움직일 수 있는 그물망 구조를 만든 것이다.
전하를 띤 물체가 가까워지면 그 물체가 주변에 미치는 전기적 영향으로 소재 안의 양이온과 음이온이 재배열된다. 풍선에 머리카락을 문지른 뒤 가까이 가져가면 머리카락이 반응하듯, 물체가 직접 닿지 않아도 소재 내부에 변화가 생기는 원리다. 연구팀은 이때 나타나는 전기 신호를 이용해 별도의 감지용 전압 없이 물체의 접근과 움직임을 알아냈다.
소재를 움직일 때는 자외선을 비춘다. 빛을 받은 아조벤젠의 모양이 바뀌고 소재의 한쪽 면에서 수분이 빠져나가면서, 한쪽이 먼저 마른 얇은 종이처럼 소재가 굽는다. 연구팀은 이 움직임으로 물체를 붙잡는 모습을 시연했다. 빛을 끄면 소재 표면에 생긴 나노 크기의 작은 구멍을 통해 수분이 다시 들어오고, 이 과정에서 소재는 반대 방향으로 굽으며 고분자 구조가 천천히 풀릴 때까지 변형된 형태를 10분 이상 유지했다. 붙잡은 자세를 유지하기 위해 계속 빛을 비출 필요가 없다는 뜻이다.
이번 연구의 특징은 물체를 알아채는 기능, 움직이는 기능, 바뀐 형태를 일정 시간 유지하는 기능을 하나의 소재에 구현했다는 점이다. 연구팀은 빛에 따른 분자와 수분의 변화가 어떻게 양방향 굽힘과 형태 유지로 이어지는지도 분석했다. 이 같은 소재 설계 방식은 향후 소프트 로봇의 센서와 구동부를 각각 장착할 때 필요한 부품과 배선을 줄이는 데 활용될 수 있다. 다만 현재는 전기를 띤 물체를 감지하고 자외선으로 움직임을 일으키는 연구 단계로, 연구팀은 감지 거리와 움직이는 속도, 반복 사용 시 내구성, 물체를 지탱하는 힘을 높이고 가시광선이나 근적외선으로도 움직일 수 있도록 연구를 이어갈 계획이다.
문홍철 교수는 “로봇의 피부와 근육을 따로 붙이지 않고, 하나의 소재가 물체를 감지하고 빛을 받으면 움직이도록 만들었다. 빛을 끈 뒤에도 변형된 형태를 유지한다는 점이 특징”이라며 “앞으로 AI 제어 기술을 결합해 피지컬 AI 로봇에 활용할 수 있는 감각·구동 소재로 발전시키겠다”고 말했다.
이번 연구에는 전북대학교 화학공학부 김용민 교수가 제1저자, 문홍철 교수가 교신저자로 참여했으며, KAIST 생명화학공학과 권진한·양현우·이경록 박사과정과 김성룡 박사가 공동저자로 함께했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난 9월 14일 온라인 게재됐으며, 해당 논문은 62호 표지논문으로도 선정됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업 및 소재글로벌영커넥트사업 지원을 받아 수행됐다.
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