고무 같은 소재도 3D 프린팅…로봇 손·웨어러블로 활용 넓힌다

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 딱딱한 물건을 찍어내던 3D 프린터가 이제 고무처럼 부드럽고 잘 늘어나는 제품까지 만들 수 있게 됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이승철 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 극한물성소재연구센터 나종범 박사 연구팀, 서울과학기술대학교 생산시스템 및 설계공학전공 박범수 교수와 공동으로 AI를 활용해 3D 프린팅이 가능하면서도 고무처럼 많이 늘어나는 소재를 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀이 활용한 DLP는 액체 소재에 빛을 비춰 원하는 모양으로 굳히는 3D 프린팅 기술이다. 복잡한 구조를 빠르게 만들 수 있지만, 소재를 잘 늘어나고 튼튼하게 만들수록 액체가 잘 흐르지 않을 정도로 점도가 높아져 출력하기 어려워진다.

반대로 잘 출력되도록 묽게 만들면 신축성과 강도가 떨어진다. 잘 뽑히면서 잘 늘어나는 소재를 만드는 것이 핵심 난제였다.

연구팀은 AI를 활용해 이 두 조건을 만족하는 최적의 '소재 레시피'를 찾았다. 특히 프린터에서 잘 출력되는 소재뿐 아니라 점도가 높아 출력하기 어려운 소재까지 학습 데이터에 포함했다.

연구팀은 다양한 배합의 액체 소재를 작은 틀에 넣어 굳힌 뒤 늘어남 및 단단함 정도, 빛을 받으면 굳는 시간, 점성 등을 측정했다. 이를 통해 다양한 소재의 배합과 각각의 성능을 연결한 데이터를 구축했다.

이어 머신러닝을 이용해 소재의 배합과 성능 사이의 관계를 학습시켰다. AI는 이를 바탕으로 3D 프린팅이 가능하면서도 잘 늘어나는 최적의 소재 조합을 찾아냈다.

AI가 찾아낸 소재는 실제 DLP 3D 프린터에서도 안정적으로 출력됐으며, 잡아당겨도 쉽게 끊어지지 않고 원래 길이의 6배 이상 늘어나는 높은 신축성을 보였다.

연구팀은 실제 활용 가능성을 확인하기 위해 이 소재로 '소프트 액추에이터'를 3D 프린팅했다. 소프트 액추에이터는 공기압 등을 이용해 사람의 근육처럼 부드러운 움직임을 만들어내는 장치다. 공기를 넣자 풍선처럼 부풀면서 사람의 손가락처럼 자연스럽게 휘어졌다.

여러 개의 액추에이터를 결합해 만든 소프트 로봇 손은 1㎏짜리 물병을 들어 올렸으며, 깨지기 쉬운 달걀이나 유리병, 컴퓨터 마우스까지 모양과 단단한 정도가 다른 물체를 안정적으로 잡는데 성공했다.

이번 연구는 잘 늘어나는 소재 하나를 개발한 것을 넘어 AI를 활용해 원하는 성능의 소재를 보다 빠르게 찾아내는 방법을 제시했다는데 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

이 교수는 "소프트 로봇과 웨어러블 기기, 맞춤형 의료기기 등 다양한 분야에서 필요한 성능을 갖춘 3D 프린팅 소재를 보다 빠르게 개발하는데 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

다만 연구팀은 웨어러블 기기나 의료기기에 실제 적용하기 전 인체에 닿아도 안전한지에 대한 철저한 검증이 필요하다고 강조했다.

KAIST 송영한 박사와 박범수 교수가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr