파리지옥처럼 물체 감지하고 빛 비추면 잡는 소프트 로봇 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 파리지옥은 먹잇감의 자극을 느끼면 잎을 닫아 붙잡는다. 국내 연구진이 여기에서 착안해 물체의 접근을 느끼는 피부와 물체를 붙잡는 근육을 하나의 부드러운 소재에 담았다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 주변 물체를 감지하고 빛에 반응해 움직이는 이온성 소프트 로봇 '이오노그래스퍼'를 개발했다고 30일 밝혔다.

이온성 소재란 내부에 양 또는 음 전하를 띤 작은 입자인 '이온'이 있어 주변의 전기적 변화에 반응할 수 있는 소재를 말한다.

사람은 눈이나 피부로 물체를 알아차리고 근육을 움직여 잡는다. 로봇에도 주변을 감지하는 센서와 움직임을 만드는 구동부가 필요하다. 하지만 부드럽게 휘어지는 소프트 로봇에 이 장치들을 따로 붙이면 부품과 배선이 늘어나 구조가 복잡해진다.

연구팀은 로봇의 피부와 근육 역할을 하나의 부드러운 고분자 소재에 담았다. 고분자는 작은 분자들이 길게 이어진 물질로, 플라스틱이나 고무도 고분자의 한 종류다. 연구팀은 빛을 받으면 모양이 바뀌는 '아조벤젠'과 공기 중 수분을 흡수하는 고분자를 결합해 내부에서 이온이 움직일 수 있는 그물망 구조를 만들었다.

전하를 띤 물체가 가까워지면 그 물체가 주변에 미치는 전기적 영향으로 소재 내 이온이 재배열된다. 물체가 직접 닿지 않아도 주변의 전기적 영향으로 소재 내부에 변화가 생긴다. 연구팀은 이때 나타나는 전기 신호를 이용해 별도의 감지용 전압 없이 물체의 접근과 움직임을 알아냈다.

소재에 자외선을 비추면 아조벤젠의 모양이 바뀌어 소재 한쪽 면에서 수분이 빠져나가면서 마른 얇은 종이처럼 굽는다. 연구팀은 이 움직임으로 물체를 붙잡는 모습을 시연했다.

빛을 끄면 소재 표면에 생긴 나노 크기의 작은 구멍을 통해 수분이 다시 들어온다. 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 줄이는데 활용될 수 있다. 이는 소프트 로봇의 부품과 배선을 줄이고 시스템을 단순화하는 동시에 에너지 소비를 낮추는데 기여할 수 있다.

다만 감지 거리와 내구성, 물체를 지탱하는 힘을 높이는 등의 후속 연구가 필요하다고 연구팀은 설명했다.

문 교수는 "AI 제어 기술을 결합해 피지컬 AI 로봇에 활용할 수 있는 감각·구동 소재로 발전시키겠다"고 말했다.

전북대학교 화학공학부 김용민 교수가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 표지논문으로 실렸다.

jongseo12@news1.kr