모터 없이도 1초 이내에 스스로 굽혀지고 다시 펴지는 로봇 구동기술이 등장했다.
KAIST 기계공학과 김성수 교수팀은 열에 반응해 형태를 바꾸는 형상기억합금(SMA)과 형상기억고분자(SMP)를 결합해 가벼우면서도 반복 구동이 가능한 ‘양방향 형상 기억물질 기반 하이브리드 스마트 액추에이터’를 개발했다.
이 기술은 기존 무겁고 복잡한 구동장치를 대체할 수 있어 가벼우면서도 반복 구동이 필수인 로봇 팔·손은 물론 우주 전개 구조물 분야에도 활용성이 크다.
특히 위성 안테나, 태양전지판 등 우주 전개형 구조물은 발사 시 부피를 최소화해야 하는 만큼, 경량·단순 구동 기술의 중요성이 커지고 있다
기존 로봇 팔이나 우주 장비는 무겁고 구조가 복잡한 모터 기반 시스템을 주로 사용해 감량에 한계가 있었다.
모터·감속기·전원장치가 함께 필요해 시스템이 무거워지고 고장 가능성도 높아지는 구조다.
이를 대체할 형상기억 소재 역시 한 번 변형하면 원래 상태로 돌아오지 못하는 단방향 특성을 보이거나, 형태 회복속도가 매우 느려 실용화가 어려웠다.
게다가 금속 합금과 고분자 소재 간 강도 차이로 인해 반복 사용 시 복원력이 떨어지는 문제도 있었다.
연구팀은 소재 물성 개질과 독창적 구조 설계를 통해 이런 난제를 동시에 해결했다.
연구팀은 에폭시 기반 형상기억고분자의 화학 조성을 조절하고 탄소섬유로 보강해 소재 강성을 대폭 높였다.
소재 내부에는 열을 가하면 원래 형태로 돌아오는 형상기억합금을 최적 상태로 배치했다.
특히 액추에이터 구조에 줄자처럼 휘어지는 ‘테이프 스프링’ 원리를 도입했다.
이 구조는 변형 과정에서 에너지를 저장했다가 순간적으로 방출하는 스냅-스루(Snap-through) 현상으로 별도 제어장치 없이도 움직임 속도와 정확도를 비약적으로 높였다.
실험결과 연구팀이 개발한 액추에이터는 열을 가하면 굽혀지고 냉각 시 다시 펴지는 완전한 양방향 구동을 선보였다.
이를 통해 기존 기술 대비 변형 범위가 대폭 확장됐음에도 98% 이상 높은 초기 형상 복원력을 유지했다.
특히 굽힘과 전개 과정이 1초 이내에 완료되는 빠른 구동 속도를 입증했다.
또 10회 이상 반복된 열 사이클 실험에서도 성능저하 없는 안정적으로 작동했다.
이는 기존 형상기억 소재의 느린 응답 속도와 낮은 반복 내구성 한계를 동시에 개선한 결과로, 실제 산업 적용 가능성을 한층 끌어올린 것으로 평가된다.
이번 기술은 소재 한계를 구조 설계로 극복해 스마트 액추에이터 성능을 한 단계 끌어올렸다는 점에서 의미가 있다.
특히 복잡한 전자 제어나 구동계 없이도 작동한다는 점에서 차세대 소프트 로보틱스 분야에서도 활용 가능성이 크다.
김 교수는 “소재의 물성 한계를 독창적 구조 설계로 극복해 형상기억 액추에이터 성능을 한 단계 높였다”며 “반복적 그리핑 동작을 수행하는 로봇 손이나 우주안테나 같은 전개 구조물 응용 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 기계공학과 강다정 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 1월 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재된 데 이어 3월호 표지논문으로 선정됐다.
(논문명: Two-Way Shape Memory Alloy and Polymer Composite Hybrid Smart Actuator With High Speed, Accuracy, and Reversible Deformation, / 저자: 강다정 (KAIST, 제1저자), 박성연 (KAIST, 공저자), Yitro Samuel Aditya (KAIST, 공저자), 이하은 (KAIST, 공저자), 김원빈(KAIST, 공저자), 배상윤 (KAIST, 공저자), 김성수 (KAIST, 교신저자))
