엔지니어들이 로봇을 위한 자가치유 근육을 개발하다

네브래스카-링컨 대학 공학팀은 인간과 식물 피부가 부상을 감지하고 스스로 치유하는 능력을 모방하는 소프트 로봇과 웨어러블 시스템을 개발하는 데 한 걸음 더 다가갔습니다.

엔지니어 에릭 마크비카는 대학원생 에단 크링스와 패트릭 맥매니걸과 함께 최근 조지아주 애틀랜타에서 열린 IEEE 로봇 및 자동화 국제 컨퍼런스에서 논문을 발표했습니다. 이 논문에서는 펑크나 극심한 압력으로 인한 손상을 식별하고, 그 위치를 정확히 찾아내고, 자율적으로 자체 수리를 시작할 수 있는 소프트 로봇 기술에 대한 시스템 수준 접근 방식을 제시했습니다.

이 논문은 ICRA 2025 최우수 논문상(Best Paper Award) 최종 후보로 선정된 1,606편의 제출작 중 39편에 포함되었습니다. 또한, 최우수 학생 논문상(Best Student Paper Award)과 메커니즘 및 디자인 부문 최종 후보에도 올랐습니다.

이 팀의 전략은 자연에서 영감을 받은 설계 원리를 도입한 소프트 로봇 시스템을 개발하는 데 있어 오랫동안 존재해 온 문제를 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"우리 사회에서는 기존의 단단한 시스템을 부드러운 소재로 복제하려는 움직임이 거세지고 있으며, 생체모방을 향한 움직임도 거세지고 있습니다."라고 마크비카, 로버트 F., 미르나 L. 크론 생체의공학 조교수는 말했다. "부드럽고 등각적인 신축성 전자 장치와 액추에이터를 개발할 수 있었지만, 이러한 장치들은 손상에 반응하고 자가 복구를 시작하는 능력 면에서 생물학적 기능을 모방하지 못하는 경우가 많습니다."

그 격차를 메우기 위해 그의 팀은 다층 구조를 갖춘 지능형 자가 치유 인공 근육을 개발했습니다. 이 인공 근육은 시스템이 손상을 식별하고 찾아내고, 외부 개입 없이도 자가 복구 메커니즘을 시작할 수 있도록 합니다.

"인간과 동물의 몸은 놀랍습니다. 베이고 멍이 들 수도 있고, 꽤 심각한 부상을 입을 수도 있습니다. 그리고 대부분의 경우, 붕대와 약물을 외부에 아주 제한적으로만 적용하더라도 많은 것을 스스로 치유할 수 있습니다."라고 마크비카는 말했습니다. "만약 우리가 이것을 합성 시스템 내에서 재현할 수 있다면, 전자 기기와 기계에 대한 우리의 생각과 그 분야를 완전히 바꿀 것입니다."

이 팀의 "근육", 즉 에너지를 물리적 움직임으로 변환하는 로봇의 일부인 액추에이터는 세 겹으로 구성되어 있습니다. 가장 아래층인 손상 감지층은 실리콘 엘라스토머에 액체 금속 미세 방울이 박힌 부드러운 전자 피부입니다. 이 피부는 중간층인 자가 치유 구성 요소인 단단한 열가소성 엘라스토머에 접착되어 있습니다. 맨 위층은 물로 압력을 가하면 근육의 움직임을 활성화하는 액추에이터층입니다.

이 과정을 시작하기 위해 연구팀은 근육의 아랫부분 "피부"에 다섯 개의 모니터링 전류를 유도합니다. 이 피부는 마이크로컨트롤러와 감지 회로에 연결되어 있습니다. 해당 층에 구멍이 나거나 압력이 가해지면 전기 회로망이 형성됩니다. 시스템은 이 전기적 흔적을 손상의 증거로 인식하고, 새롭게 형성된 전기 회로망에 흐르는 전류를 증가시킵니다.

이를 통해 해당 네트워크는 국소 줄 히터 역할을 하여 전류 에너지를 손상 부위 주변의 열로 변환합니다. 몇 분 후, 이 열은 중간 열가소성 층을 녹이고 재가열하여 손상을 봉합하고, 상처를 효과적으로 자가 치유합니다.

마지막 단계는 바닥층의 손상으로 인한 전기적 흔적을 제거하여 시스템을 원래 상태로 되돌리는 것입니다. 이를 위해 Markvicka의 팀은 전류가 금속 원자를 이동시키는 과정인 전기 이동(electromigration) 효과를 활용하고 있습니다. 이 현상은 전통적으로 금속 회로의 방해 요소로 여겨졌는데, 이동하는 원자가 변형되어 회로 재료에 틈을 만들어 소자의 고장 및 파손을 초래하기 때문입니다.

연구진은 중요한 혁신을 통해 전기 이동을 이용하여 자율적이고 자가 치유되는 시스템을 개발하려는 노력에서 오랫동안 걸림돌이 되어 온 문제, 즉 하부 층의 손상으로 인한 전기 회로망의 영구적인 현상이라는 문제를 해결하고 있습니다. 기준선 모니터링 트레이스를 재설정할 수 없다면, 시스템은 손상 및 복구 과정을 한 번 이상 완료할 수 없습니다.

연구진은 금속 이온을 물리적으로 분리하고 개방 회로 고장을 유발하는 전기 이동이 새로 형성된 흔적을 지우는 열쇠가 될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이 전략은 효과가 있었습니다. 전류를 더욱 증가시킴으로써 연구팀은 전기 이동 및 열적 고장 메커니즘을 유도하여 손상 감지 네트워크를 재설정할 수 있었습니다.

"전기이주는 일반적으로 매우 부정적인 것으로 여겨집니다."라고 마크비카는 말했습니다. "전자제품의 소형화를 가로막는 병목 현상 중 하나입니다. 저희는 이를 독특하고 매우 긍정적인 방식으로 활용하고 있습니다. 전기이주를 막는 대신, 이전에는 영구적이라고 생각했던 흔적을 지우는 데 처음으로 전기이주를 활용하고 있습니다."

자율 자가 치유 기술은 여러 산업에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다. 네브래스카와 같은 농업 지역에서는 나뭇가지, 가시, 플라스틱, 유리와 같은 날카로운 물체에 자주 노출되는 로봇 시스템에 큰 도움이 될 수 있습니다. 또한 일상적인 마모를 견뎌야 하는 웨어러블 건강 모니터링 기기에도 혁신을 가져올 수 있습니다.

이 기술은 사회 전반에 걸쳐 더 광범위한 혜택을 제공할 것입니다. 대부분의 소비자용 전자 제품은 수명이 1~2년에 불과하여 매년 수십억 파운드의 전자 폐기물을 발생시킵니다. 이 폐기물에는 납과 수은과 같은 독소가 포함되어 있어 인간과 환경의 건강을 위협합니다. 자가치유 기술은 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

마크비카는 "손상이 발생했을 때 이를 안정적으로 자율적으로 감지하고 자체 복구 메커니즘을 작동시킬 수 있는 소재를 개발할 수 있다면, 이는 정말 획기적인 일이 될 것"이라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250530151849.htm