인공근육

인공근육 제여하는 인공신경 나왔다

서울대팀, 손상된 신경 ‘보철’ 기능… 하반신 마비 치료 가능해

국내 연구진이 동물의 신경 기능을 흉내낸 ‘인공신경’을 개발했다. 인체의 신경원리를 채용한 미래형 전자센서나 문어처럼 움직이는 소프트 로봇 등 다양한 분야에 접목이 가능할 것으로 보인다. 

서울대 재료공학부 이태우 교수팀과 미국 스탠퍼드대 제난 바오 교수팀은 생물의 감각·운동 신경을 모사하는 신축성 인공 신경을 개발했다고 26일 밝혔다.  

생물체의 신경(위)과 인공신경(아래)을 비교한 이미지. 서울대 제공

인간의 두뇌를 모사하는 ‘뉴로모픽‘ 분야가 최근 주목받고 있지만 감각과 운동기관을 모사하는 인공신경 연구는 상대적으로 뒤처져 있다. 

연구팀은 빛으로 작동하는 인공신경과 감각·운동 신경을 연결한 시스템을 제작했다.  인공 신경을 이용해 인공 근육을 제어하는 인공 감각·운동 신경을 개발한 것이다. 이를 위해 빛 수용체를 모사한 광센서와 생체 시냅스를 모방한 신축성 유기 나노선, 생체 근육 섬유 역할을 하는 고분자 구동장치(액추에이터)를 각각 만들어 하나로 연결했다.  

실험 결과 인공 생체 시스템은 마치 한 몸처럼 움직였다. 빛 자극을 받게 되면 인공 생체 시냅스가 인공 신경을 통과해 인공 근육섬유까지 신호를 전달했다. 이렇게 신호를 받은 인공근육 섬유는 수축한다. 인공신경의 핵심기술인 ‘유기 나노선’은 최대 100%까지 늘어나도 원래의 전기적 성질을 유지했다. 

연구진은 이번 연구가 차세대 생체모사 장치, 소프트 로봇 개발은 물론 의료 분야에도 적용이 가능해 마비 환자를 위한 ‘신경 보철’ 개발로 이어질 수 있다고 보고 있다. 

이 교수는 “신축성 인공 감각·운동 신경은 가까운 미래에 살아있는 생물처럼 행동하는 로봇을 개발하는 데 활용될 수 있다”며 “알츠하이머병, 파킨슨병, 루게릭병과 같은 질환을 완화하거나 치료하는 보철 장치 개발에 새 이정표를 제시할 것”이라고 설명했다. 

이 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 23일 자로 게재됐다.

인공근육에 쓰는 DNA 닮은 고탄성 전기 섬유 나왔다

연구를 주도한 손원경 DGIST 스마트섬유융합연구실 연구원(왼쪽)과 최창순 선임연구원. -사진 제공 DGIST

유연하면서도 전기를 잘 통하는 섬유를 국내 연구팀이 개발했다. 가볍고 유연한 배터리나 전극 등에 응용할 수 있어 ‘입는 전자제품’이나 ‘인공근육’을 개발할 때 도움이 될 것으로 기대된다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 손원경 스마트섬유융합연구실 연구원과 최창순 선임연구원팀이 길이가 최대 16배까지 늘어나고 잘 휘면서 전기가 잘 통하는 고탄성 다기능 섬유를 개발했다고 18일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 1월 25일자에 발표됐다.

손 연구원팀은 DNA의 구조를 모방해 나선형으로 꼬인 섬유를 개발했다. DNA는 이중 나선 구조의 ‘꼬인’ 구조를 지니는데, 좁은 세포 핵 안에 가능한 많은 DNA를 넣기 위해 꼬인 DNA를 여러 번에 걸쳐 다시 꼬는 ‘슈퍼코일’ 구조를 지닌다.

손 연구원팀은 의료용으로 흔히 사용되는 신축성 소재인 스판덱스 섬유를 탄소나노튜브로 감싼 뒤 이를 여러 번 꼬아서 슈퍼코일 구조를 완성했다. 탄소나노튜브는 탄소를 이용해 홑 겹의 기둥 형태 구조로 만든 나노소재로, 유연하면서도 전기를 잘 통해 미래 전자소자 등에 응용할 수 있다.

연구 결과, 이렇게 만든 섬유는 길이 방향으로 최대 16배까지 늘어났으며, 길이가 늘어나도 전기를 통하는 성질(전기전도도)이 5%밖에 떨어지지 않았다. 최 선임연구원은 “기존 기술로는 섬유전극이 잘 늘어나면 전기적 특성이 떨어졌는데, 이번에 극복했다”고 말했다. 또 잡아당기는 힘을 제거하면 곧바로 원래의 길이를 회복했다. 다른 기기와 잘 조화를 이뤄서, 이 섬유에 에너지 저장 물질을 붙여서 전기를 저장하는 성능이 월등히 높은 늘어나는 축전지(커패시터)를 개발하는 데에도 성공했다.  

슈퍼코일 섬유 제작 모식(왼쪽)과 이렇게 만든 섬유를 확대한 모습. -사진 제공 DGIST

연구팀은 이 섬유에 전기가 통하지 않는 절연층을 입히고 에너지 저장 물질을 도입하는 등 추가적인 기술을 접목하면 신축성이 중요한 신호 전송용 케이블이나 로봇팔, 인공근육, 휘어지는 전자제품의 회로, 고성능 배터리 등에 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

최 선임연구원은 “이 섬유로 간단한 직물을 만들 수 있다”며 “다만 완전한 의복을 만들려면 기존의 옷 만드는 기계와의 호환성 등의 문제로 시간이 걸릴 것”이라고 말했다.

차세대 생체 의료기기 소재 후보는 '머리카락 색소' 

머리카락을 검게 하는 멜라닌 색소를 고온 진공 상태에서 구조적으로 바꾸면 전기전도성이 10억 배 증가한다는 연구 결과가 나왔다. 게티이미지뱅크 제공

인공심장박동기, 또는 손상된 근육을 대체하는 인공근육처럼 체내 삽입해야 하는 의료기기에 들어갈 차세대 후보로 멜라닌이 등장했다. 멜라닌은 머리카락이나 피부에서 갈색(검은색)을 띠게 하는 색소다.  

이탈리아 나폴리 페데리코2세대 화학과와 이탈리아 국가연구위원회(CNR) 연구팀은 멜라닌을 진공 고온 상태에서 결정 구조를 변화시키면 전기전도도가 10억 배나 증가한다는 연구 결과를 국제학술지 '프론티어 인 케미스트리' 26일자에 실었다. 

교신저자인 알레산드로 페젤라 이탈리아 국가연구위원회 박사는 "멜라닌이 전기전도성을 띤다는 것은 이미 알려져 있던 사실"이라며 "체내에서 합성되는 물질인 만큼 독성이 없고 면역 반응을 일으키지 않아 생체적합성도 뛰어나다"고 말했다.  

그는 "하지만 생체 내 의료기기에 전자회로 등으로 쓰기에는 전기전도 효율이 매우 낮았다"며 "이번에 개발한 기술로 전기전도도를 증폭시키면 적은 양으로도 생체기기에 활용할 수 있을 것"이라고 기대했다.  

사람 40배 힘내는 '무쇠 근육' 탄생

한·미 공동 초강력 인공근육 개발

시중에서 쉽게 구하는 재료 활용

외부 자극에 수축··· 팽창하며 힘 내  

미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀이 개발한 섬유 인공근육은 잡아당기면 기존 길이보다 10배 이상 늘어나면서도 끊어지지 않는다. MIT 제공

김선정 한양대 전기생체공학부 교수는 이달 11일 국제학술지 '사이언스'에 사람의 근육보다 최대 40배 큰 힘을 내는 인공근육을 발표했다. 레이 바우만 미국 텍사스대 화학과 교수팀과 공동 개발한 이 인공근육은 탄소나노튜브(CNT) 섬유에 시중에서 판매하는 값싼 아크릴 섬유, 실크, 대나무 섬유을 함께 섞어 꼬아 만들었다. 여기에 온도 변화와 전자기장, 화학물질 같은 외부자극에 반응하는 재료를 덧씌어 한 줄의 끈처럼 만들었다. 연구진은 이 끈을 다시 고무동력기 고무줄처럼 배배 꼬아 인공근육을 만들었다.  인공근육 섬유는 외부 자극을 받으면 줄을 감싼 겉면이 수축했다가 늘어나는 방식으로 사람의 근육처럼 힘을 낸다. 

연구팀이 개발한 인공근육은 시중에서 쉽게 구하는 값싼 재료를 활용하고도 기존에 개발된 인공근육보다 9배 높은 성능을 냈다. 끈을 덮은 재료에 따라 어떤 자극에 반응할지 결정할 수 있어 활용 범위가 넓다. 폴리우레탄을 재료로 쓰면 열 변화에 따라 반응하는 인공근육이, 탄소나노튜브로 덮어 씌우면 전기 자극에 반응하는 인공근육이 된다. 김 교수는 “포도당에 반응하는 하이드로겔을 개발해 포도당 농도에 따라 작동하는 인공근육도 개발했다”며 “몸 속 혈당 농도에 따라 자동으로 약물을 방출하는 공급장치로 활용할 수 있다”고 말했다. 

김 교수 연구팀 외에도 최근 인공근육 연구는 로봇과 기계, 바이오 연구에서 뜨거운 주제로 떠올랐다. 인공근육에 관심이 높아지는 이유는 산업혁명 이후 200년 넘게 발전해 온 기계장치들이 서서히 그 한계를 드러내고 있다는데서 비롯됐다. 인간이 개발한 엔진이나 전기 모터 같은 구동장치는 소형화가 이뤄지고 있지만 점점 더 작게 만들기 어려워지고 있다. 또 소재가 딱딱하다보니 부드럽고 유연하게 힘을 내는데 한계가 있다. 

과학자들은 사람과 동물의 운동에 주목하기 시작했다. 사람의 근육은 얼굴 표정을 만들고 물건을 들어올리며, 적은 에너지로 장시간 달릴 수 있게 하는 등 다양하게 사용된다. 또 세포 크기로 작게 만들 수 있고 태어날 때부터 죽을 때까지 뛰는 심장 속 근육처럼 고장도 잘 나지 않는다. 여러 과학자들이 딱딱한 기계를 버리고 사람 근육처럼 열이나 전기, 화학 에너지에 반응해 작동하는 '이상적인 구동장치'를 개발하는데 뛰어들고 있는 이유다. 공기 압력을 활용하거나 전기신호와 자기장에 반응하는 형상기억 합금이 유력한 후보군으로 손꼽는다. 

과학자들은 섬유를 꼬아 만드는 방식의 인공근육 기술이 가장 앞서 있다고 보고 있다. 사이언스도 이런 상황을 반영하듯  김 교수팀 연구와는 별도로 다른 연구자들의 인공근육 연구를 담은 두 편을 더 실었다. 폴리나 아니키바 미국 매사추세츠공대(MIT)  교수 연구팀은 두 종류의 고분자를 붙인 덩어리를 국수 뽑듯 가늘게 뽑아낸 섬유로 인공 근육을 제작했다. 10배 이상의 늘어남도 견딜뿐더러 40도의 열만 가하면 두 고분자가 열에 늘어나는 정도가 달라 강하게 꼬이면서 자기 무게의 650배를 들 힘을 낸다. 진카이 유안 프랑스 폴 파스칼 연구소 연구원팀은 폴리비닐알코올(PVA) 섬유에 산화그래핀 조각을 5% 섞어 꼰 인공근육을 개발했다. 산화그래핀 조각이 인공근육의 탄성과 강도를 높여주는 역할을 하며 인간 근육의 50배의 힘을 낸다. 

미국 텍사스대 연구팀이 2014년 개발한 섬유 인공근육으로 바벨을 들어올리는 실험을 하고 있다. 이번 연구는 이 인공근육을 개량해 들어올릴 수 있는 무게를 이전보다 9배 증가시켰다. 텍사스대 제공

형상기억합금은 인공근육 후보군 중 가장 강한 힘을 내고 가장 연구가 활발하다. 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질이 있어 열에 반응하는 인공근육으로 사용된다. 제이미 백 스위스 로잔연방공대 교수는 형상기억합금 스프링으로 곤충처럼 걷기부터 멀리뛰기와 높이뛰기까지 자유자재로 할 수 있는 10g 무게의 로봇을 개발했다고 이달 10일 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 리튬이온 배터리와 수신기, 센서, 형상기억합금을 가열할 장치를 장착한 가로세로 약 3㎝의 기판 세 개를 스프링으로 이어붙인 형태지만 걷고 기는 동작을 자유자재로 하다가 장애물을 만나면 최대 14㎝ 높이로 뛰어넘는다. 앞으로 최대 23㎝를 뛰어넘기도 한다. 

인공근육은 이미 인간 근육보다 더 강한 힘을 내는 데는 성공했다. 다만 여전히 에너지 효율은 떨어진다.  이번에 발표된 섬유 인공근육 연구들에서도 들어간 에너지 효율이 6%를 넘지 못했다. 사람의 근육 효율이 25~30%임을 감안하면 5분의 1도 되지 않는 셈이다. 사메흐 타우픽 미국 일리노이대 교수는 “초소형 로봇을 동작시키고 약물 전달 시스템에 활용하는 등 작은 구동기로써의 역할은 지금도 수행할 수 있다”며 “외부 환경에 반응해 동작하는 인공근육의 역할을 제대로 수행하기 위해서는 새로운 고효율 설계가 나와야 한다”고 말했다.

[표지로 읽는 과학]값싸고,국수처럼 쉽게 뽑는 인공근육 전성시대

사이언스 제공

로봇팔이 마치 근력 운동을 하듯 팔을 구부리고 있다. 이 로봇팔이 운동에 사용하는 근육은 배배 꼬인 섬유로 만들어진 인공근육이다. 인공근육에는 공기를 사용하는 방식, 전자기장에 반응하는 재료, 형상기억합금 등 여러 가지가 있다. 과학자들은 이 중에서 섬유를 꼬아 만드는 방식이 힘과 유연성을 종합적으로 검토할 때 가장 앞서 있다고 보고 있다. 국제학술지 사이언스도 12일 이런 상황을 반영하듯 세 편의 섬유 인공근육 연구결과를 소개했다. 

사이언스는 한국 과학자인 김선정 한양대 전기생체공학부 교수의 연구에 주목했다. 김 교수는 사람의 근육보다 최대 40배 큰 힘을 내는 인공근육을 발표했다. 레이 보먼 미국 텍사스대 화학과 교수팀과 공동 개발한 이 인공근육은 탄소나노튜브(CNT) 섬유에 시중에서 판매하는 값싼 아크릴 섬유, 실크, 대나무 섬유를 국수 가락을 모으듯 섞은 후 꼬아 만들었다. 여기에 온도 변화와 전자기장, 화학물질 같은 외부자극에 반응하는 재료를 덧씌어 한 줄의 끈처럼 만들고 다시 꼬았다. 이렇게 만들어진 인공근육 섬유는 외부 자극을 받으면 줄을 감싼 겉면이 수축했다가 늘어나는 방식으로 사람의 근육처럼 힘을 낸다.  

연구팀이 개발한 인공근육은 시중에서 쉽게 구하는 값싼 재료를 활용하고도 기존에 개발된 인공근육보다 9배 높은 성능을 냈다. 끈을 덮은 재료에 따라 어떤 자극에 반응할지 결정할 수 있어 활용 범위가 넓다. 폴리우레탄을 재료로 쓰면 열 변화에 따라 반응하는 인공근육이, 탄소나노튜브로 덮어 씌우면 전기 자극에 반응하는 인공근육이 된다. 김 교수는 “포도당에 반응하는 하이드로겔을 개발해 포도당 농도에 따라 작동하는 인공근육도 개발했다”며 “몸 속 혈당 농도에 따라 자동으로 약물을 방출하는 공급장치로 활용할 수 있다”고 말했다.

사이언스는 폴리나 아니키바 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수 연구팀 연구도 소개했다. 이 연구팀은 두 종류의 고분자를 붙인 덩어리를 국수 뽑듯 가늘게 뽑아낸 섬유로 인공 근육을 제작했다. 10배 이상의 늘어남도 견딜뿐더러 40도의 열만 가하면 두 고분자가 열에 늘어나는 정도가 달라 강하게 꼬이면서 자기 무게의 650배를 들 힘을 낸다. 

사이언스가 주목한 또 다른 연구팀인 진카이 유안 프랑스 폴 파스칼 연구소 연구원팀은 폴리비닐알코올(PVA) 섬유에 산화그래핀 조각을 5% 섞어 꼰 인공근육을 개발했다. 산화그래핀 조각이 인공근육의 탄성과 강도를 높여주는 역할을 하며 인간 근육의 50배의 힘을 낸다.

나비처럼 우아한 날갯짓 가능한 인공근육 탄생

나뭇가지에 앉은 나비? 잘 보면 진짜 나비가 아니다. 하지만 나비처럼 우아하게 날갯짓을 할 수 있다. 사이언스 로보틱스 제공

나비가 나뭇가지에 앉아 있다. 우아하게 날갯짓을 한다. 자세히 보니 진짜 나비가 아니다. 나비 날개를 단 작은 기계였다. 나비뿐만이 아니다. 가지 끝에 매달린 나뭇잎이 바람에 살랑이는 동작, 꽃이 탐스런 봉우리를 활짝 여는 동작이 기계의 움직임으로 부드럽게 재현됐다. 

이렇게 자연계에서는 흔하지만 로봇이 내기는 어려웠던 가볍고 부드러운 움직임을 구현하는 새로운 로봇용 인공근육 기술을 국내 연구팀이 개발했다.

오일권 KAIST 기계공학과 교수와 시마 움라오 연구원팀은 낮은 전력으로 움직이고 부드러운 형태로 변환할 수 있는 새로운 인공근육(소프트 액추에이터)를 개발해 로봇 분야 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 22일자에 발표했다.

오 교수팀은 기존의 딱딱한 금속성 로봇 대신 천이나 고무 등 부드러운 소재를 이용하는 ‘소프트로봇’을 만들기 위해 이 기술을 개발했다. 기존에는 소프트로봇을 움직이는 기술로 형상기억합금 등 환경에 따라 움직임이나 형태가 변화하는 소재를 이용하는 방법과, 마치 풍선을 불 때처럼 공기를 집어 넣어 특정 부분을 부풀리는 방법으로 움직임을 유도하는 방법이 널리 쓰였다. 

하지만 형상기억합금은 사용 환경의 제약이 있고, 공기를 쓰는 방법은 크기가 크고 전기를 많이 쓴다는 단점이 있었다. 전기적 성질을 띤 입자(이온)를 이용해 고분자 물질의 형상을 변형시키는 이온성 인공근육 기술도 연구되고 있지만, 아직 수명이 짧고 변형률이 작아 실용성이 떨어진다. 

맥신을 이용한 부드러운 인공근육을 이용해 다양한 키네틱 아트를 시도했다. 한국연구재단 제공

연구팀은 금속처럼 전기가 잘 흐르고 표면의 기능을 제어할 수 있는 나노 신물질인 ‘맥신’을 전극 소재로 활용해 최고 수준으로 구부러질 수 있는 인공근육을 만들었다. 맥신은 탄소 및 질소 화합물이 얇은 면 형태의 구조를 갖는 나노 신소재다. 연구팀은 맥신을 전기가 통하는 고분자와 결합시켜 부드럽고 잘 휘는 전극을 제작했다. 그 결과 건전지 1개보다 낮은 1볼트(V) 이하의 낮은 전압만으로 문어 다리처럼 180도 구부러지는 고성능 인공근육을 완성했다. 전압을 가하면 1초 만에 반응해 빠른 움직임이 가능하고, 1만 8000번 이상 구부렸다 펴도 성능 변화가 없을 만큼 안정적이었다.

연구팀은 개발한 인공근육으로 나비의 날갯짓이나 꽃이 펴는 모습, 나뭇잎이 살랑이는 모습을 예술적으로 표현해, 이 기술이 ‘움직이능 예술(키네틱 아트)’에 활용될 수 있다는 사실도 보였다. 오 교수는 “기존 인공근육은 구부러지는 정도가 약했고 수명이 짧았는데 이 문제를 해결했다”며 “부드러운 움직임이 필요한 자연모사로봇과 헬스케어 전자기기, 키네틱아트 등에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

손상된 근육세포 재생 돕는 인공근육 3D프린터로 만들었다

김근형 성균관대 교수(왼쪽)와 장철호 전남대 교수. 연구재단 제공.

인체 조직 중 근육 조직을 3D프린터로 정교하게 구현하는 기술이 개발됐다. 손상되거나 결손된 근육 부위의 재건을 돕는 데 활용될 것으로 기대된다.  

김근형 성균관대 교수와 장철호 전남대 의과대학 교수 공동 연구팀은 금 나노와이어가 포함된 콜라겐·세포 바이오잉크를 기반으로 3D프린터를 활용해 근섬유다발을 만드는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 살아있는 세포와 세포친화적인 하이드로겔로 이뤄진 소재인 바이오잉크를 원하는 설계대로 출력하는 바이오프린팅 기술이다. 

바이오프린팅은 살아있는 세포가 포함된 생체적합 바이오잉크를 이용해 고유한 해부학적 특징과 생리학적 기능을 가진 조직으로 구현하는 기술이다.  

근육은 세포가 한 방향으로 배열된 근섬유 다발 형태로 구현된다. 이를 위해 실제 조직에서 세포가 자랄 수 있도록 둘러싼 지지체인 세포외기질의 방향성을 바이오잉크와 함께 분사된 세포에 부여해야 하는데 아직 적절한 방법이 없는 상황이다.  

연구팀은 금 나노와이어를 이용해 콜라겐 바이오잉크에 포함된 지방줄기세포가 자라나는 방향을 제어하는 인공근육 제작 방식을 제안했다. 원예용 지지대를 따라 식물이 뻗어가는 것처럼 한 방향으로 배열된 금 나노와이어를 따라 지방줄기세포들이 근육세포로 분화해 자라도록 유도한 것이다.  

이렇게 만들어진 인공 근육세포는 초기 생존율이 90%를 넘었다. 실제 만들어진 인공근육을 길이 3cm, 너비 1cm 가량 손상이 있는 쥐의 턱관절 근육, 측두근에 이식한 결과 8주 뒤 이식 부위 조직이 실제 근육처럼 재생됐다.  

연구팀은 “바이오잉크 유량과 온도 등 복잡한 조건을 최적화해 유체의 흐름을 제어하고 전기 신호를 이용해 금 나노와이어의 배열성을 제어하는 기술이 핵심”이라며 “난치성 근육질환 극복을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

[랩큐멘터리] 화학 연구실에서 탄생한 부드럽고 정교한 인공근육

포스텍 에너지 나노재료 연구실

포스텍 에너지 나노재료 연구실은 에너지와 관련된 유기 및 무기 고분자 소재를 합성하고 분석하는 연구를 한다

화학자는 때때로 패션디자이너와 비슷한 일을 한다. 패션디자이너가 원단을 자르고 꿰매 원하는 옷을 만들듯 화학자는 물질을 연구하고 합성해 인류에게 필요한 형태로 가공한다. 부동액으로 쓰이던 에틸렌글리콜로 고분자 화합물인 페트병을 만든 게 대표적인 사례다. 

박문정 포스텍 화학과 교수가 이끄는 에너지 나노재료 연구실은 에너지와 관련된 유기 및 무기 고분자 소재를 합성하고 분석하는 연구를 한다. 대표적인 연구 주제는 배터리로, ‘리튬-황 전지’에 필요한 황 고분자 양극 재료를 개발하거나 폭발 위험성을 낮추기 위해 배터리에 들어 있는 액체 전해질을 고체 전해질로 바꾸는 연구를 한다. 리튬-황 전지는 양극 소재를 황으로 만들어 리튬이온 배터리보다 전기 용량이 4~5배 높으면서도 가격도 저렴해 차세대 이차전지로 불린다. 

포스텍 화학과 박문정 교수

최근에는 전기를 흘렸을 때 움직임을 나타내는 전도성 고분자를 활용한 인공 근육 연구도 진행 중이다. 현재 개발된 인공 근육 소재는 높은 전압에서 구동하기 때문에 크고 무거운 장비가 필요하다. 에너지 나노재료 연구실은 1~2V의 전압으로 작동하는 고분자 소재를 연구해 작은 배터리로 움직이는 인공 근육을 연구하고 있다. 파리지옥을 모사해 전력이 없어도 물체를 계속 움켜쥐고 있는 인공 근육을 개발한 연구는 2018년 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 실리기도 했다. 

연구 분야는 기초 이론 연구부터 응용, 장치 개발까지 다양하다. 2015년 발표한 논문 주제인 ‘얼음 화학’은 얼음 표면에서 높은 전기 전도도를 갖는 전도성 고분자를 합성하는 새로운 방법이다. 얼음사이의 크랙(틈)을 반응기로 이용해고분자를 만들려고 시도하던 중 우연히 단량체가 코팅된 얼음 표면이 시간이 지남에 따라 색을 띄는 현상을 발견했다. 이러한 색깔은 단량체가 전기를 통할 수 있는 수준의 고분자로 합성되었다는 것을 의미하고, 그 색을 통해 전도성을 예측할 수도 있다.  

최근에는 전기를 흘렸을 때 움직임을 나타내는 전도성 고분자를 활용한 인공 근육 연구를 진행 중이다.

박 교수는 지엽적인 것에 푹 빠져있거나 화학에 대한 지식이 부족해도, 감각이 뛰어난 ‘괴짜’들이 정통 화학 연구에 알맞은 사람들이라고 말한다. 화학은 분야가 워낙 넓어서 자기에게 맞는 분야를 하나쯤 찾을 수 있고 기업의 수요도 많다는 것이다. 박 교수는 “모든 구성원이 다른 주제를 연구하기 때문에 하나부터 열까지 스스로 책임져야 한다”며 “이런 경험을 통해 사회에 나가 어떤 일을 하더라도 도움이 될 수 있기를 바란다”고 말했다. 

포스텍 에너지 나노재료 연구실 보러가기 https://youtu.be/SgdQx2eGQhg

※대학 연구실은 인류의 미래에 어떤 일들이 펼쳐질지 엿볼 수 있는 창문입니다. 인류 지식의 지평을 넓히는 연구부터 실제 인간의 삶을 편하게 하는 기술 개발까지 다양한 모험과 도전이 펼쳐지고 있습니다.  오늘도 연구실마다 교수와 연구원, 학생들이 머리를 맞대고 열정을 펼치고 있습니다.  연구자 한 명 한 명은 모두 하나하나의 학문입니다.  동아사이언스는 210개에 이르는 연구실을 보유한 포스텍과 함께 누구나 쉽게 연구를 이해할 수 있도록 2분 분량의 연구실 다큐멘터리, 랩큐멘터리를 매주 화요일과 목요일 소개합니다. 

고급세단 엔진보다 힘센 인공근육질 로봇이 나온다

김선정 한양대 전기생체공학부 교수와 레이 보먼 미국 텍사스대 화학과 교수 등 공동연구팀이 개발한 실 형태 인공근육의 모습이다. 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 꼬아 만든 형태다. 텍사스대 제공

고급 세단에 장착하는 터보차지 8기통 디젤 엔진보다 6배 큰 힘을 내는 인공근육이 개발됐다. 김선정 한양대 전기생체공학부 교수팀은 레이 보먼 미국 텍사스대 화학과 교수, 조경재 텍사스대 신소재공학과 교수 등과 공동으로 탄소나노튜브(CNT) 섬유를 꼬아 만든 인공근육을 이달 29일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. 

○ 3배 힘 센 인공근육 

김 교수가 개발한 인공근육에는 가는 탄소나노튜브 섬유를 모은 후 용수철처럼 배배 꼬아 만든 실이 들어간다. 연구팀은 시중에 파는 아크릴, 실크 등 값싼 재료의 실로 직물을 짜듯 지그재그로 섬유형태의 인공근육을 만들었다. 섬유에 이온을 전달하면 소재가 수축하면서 근육이 수축하듯 힘을 낸다. 연구팀은 이온교환수지를 실 표면에 덧칠해 더 강력한 힘을 내는 인공근육을 개발했다. 

기존의 인공근육은 이온 종류와 상관없이 수축해 효율이 떨어졌다. 연구팀은 이온교환수지를 이용해 한쪽 극성의 전하만 통과하는 성질이 생기면 인공근육이 한 종류의 이온에만 반응해 힘이 세진다. 이렇게 만든 인공근육은 1g당 8.2와트(W)의 힘을 낸다. 이는 같은 크기의 사람 근육보다 30배 센 힘이다. 김 교수는 “종전보다 힘이 3배 강한 인공근]것”이라고 말했다. 

반응 속도도 빨라졌다. 움직이는 속도가 빠르면 힘이 약해지는 기존 인공근육과 달리 이 근육은 힘을 최대한 활용할 수 있어 빨라질수록 수축력이 커진다. 연구팀은 이를 이용해 옷을 변형하는 데 사용할 수 있는 직물 형태도 만들었다. 김 교수는 “머리카락 굵기의 실을 연구자들이 하나하나 짜 넣어 가로 2.5cm, 세로 5cm 직물을 만들었다”고 말했다. 

연구팀이 개발한 인공근육으로 짠 직물이다. 인공근육 사이사이에 실을 짜 넣어 직물 형태로 만들 수 있다. 한양대 제공

○AI와 함께 로봇 진화 이끄는 인공근육 

인공근육 연구는 로봇 분야에서 주목도가 점점 커지고 있다. 김 교수는 “사람에 점차 가까워져 가는 인공지능(AI) 연구가 발달하면서 사람을 본따 만든 인공근육도 함께 주목을 받고 있다”고 말했다. 로봇의 두뇌에 해당하는 AI가 빠르게 발달하면서 로봇 시대도 성큼  현실로 다가왔다. 로봇의 동력도 기계 모터를 대체해 사람에 점점 가아워지고 있다. 근육은 힘을 내는 효율도 좋지만 누르고 미는 것도 느낄 수 있는 센서 역할도 할 수 있어 더 유용하다. 

섬유를 꼬아 만드는 인공근육은 큰 힘을 내는데 용이하다. 국제학술지 사이언스는 2011년 연구팀이 개발중인 실 형태의 인공근육을 이후 총 여섯 차례 소개했다. 근섬유가 빽빽이 들어차 큰 힘을 내기 쉬운 사람과 동물의 근육을 모방했다. 보먼 교수는 “이온을 이용하는 실 형태의 전기화학 근육은 물건을 들 때 에너지 소모가 없고 열을 이용하는 근육과 달리 에너지 한계가 없어 유망하다”고 말했다. 

에너지 효율은 여전히 해결해야 할 과제다. 이번에 발표된 인공근육은 에너지 효율이 6%를 갓 넘겼다. 사람의 근육 효율이 25~30%임을 감안하면 5분의 1에 머문다. 김 교수는 “전기모터는 작게 만들기 어려운 만큼 소형 로봇 분야에는 이미 인공근육이 사용된다”며 “실제  근육으로 쓰기 위해서는 효율을 높여야 한다”고 말했다. 

근육의 감지 능력을 결합하면 상용화 가능성이 높아질 것으로 보인다. 김 교수는 2017년 인공근육이 늘어났다가 줄어드는 과정에서 전기를 생산하는 데도 성공했다. 물리적 반응에 따라 전기를 만드는 만큼 센서나 에너지 하베스팅에도 활용될 것으로 기대되고 있다. 김 교수는 “생체 내에서 전기를 만들어 활용하는 것도 가능하다면 반영구적으로 움직이며 감지도 동시에 하는 근육으로도 쓸 수 있다”고 말했다.

면역 거부반응 없는 환자 맞춤형 인공근육 나온다

연구진이 개발한 인공 근육 조직 개발 및 생체 적용 모식도. ‘열 인장 기술’로 제작한 PCL 파이버에 ‘직접 교차 분화기술’로 제작한 근육세포를 배양했다. ‘탈세포 매트릭스’를 도입해 근육세포 성숙을 앞당겨(분화 촉진) 기능성 인공 근육 조직을 제작해냈다. 마우스의 골격근 결손 부위에 이식한 결과 손상된 근육조직과 혈관, 신경조직이 성공적으로 재생됐다. IBS 제공.

혈관과 신경 재생까지 유도할 수 있는 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼이 개발됐다. 

기초과학연구원(IBS)은 조승우 나노의학연구단 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀이 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구진과 함께 근육 손상 질환 치료를 위한 맞춤형 인공 근육 제작 플랫폼을 개발했다고 21일 밝혔다.  

움직임에 필요한 근육 중 뼈나 힘줄에 붙어있는 골격근은 뛰어난 자가 재생 능력이 있지만 심각한 외상이 생기면 영구적인 조직 손상으로 이어져 치료가 매우 어렵다. 저하된 근육 기능을 재건하는 것을 목표로 혈관과 신경을 포함한 유리 근을 이식하는 ‘유리 기능성 근육 이식’이 유일한 치료법으로 꼽힌다.  

하지만 이식 가능한 근육 조직을 구하기 어렵고 면역 거부 반응이 일어나거나 이식 후 조직 기능이 저하되는 등 여러 문제가 있었다.  

연구팀은 면역 거부 반응이 없는 환자 맞춤형 인공 근육을 개발해 한계를 극복했다. 우선 ‘열 인장 기술’을 이용해 골격 역할을 하는 미세한 다공성 구조의 ‘폴리카프로락톤(PCL) 파이버’를 개발했다. PCL 파이버는 골격근 결손 부위의 크기와 형태에 따라 길이와 다공성을 정밀하게 조절할 수 있다.  

개발한 PCL 파이버에 피부세포를 근육세포로 전환하는 ‘직접교차분화기술’을 활용해 근육세포를 배양했다. 비교적 채취하기 쉬운 자가 피부세포를 이용해 이식에 필요한 근육 세포를 확보하고 면역 거부 반응 문제를 해결했다.  

연구팀은 또 근육 조직의 특이적인 생화학적, 물리적 환경을 조성할 수 있는 ‘근육 탈세포 매트릭스’라는 기술을 도입했다. 그 결과 근육세포 직접 교차 분화 효율이 향상돼 기능성 인공 근육 조직 제작에 성공했다.  

연구진은 개발한 인공 근육 조직을 쥐 모델에서 근육 손상 부위에 이식해 근육 재생 경과를 관찰했다. 그 결과 혈관과 신경 조직 재생 정도가 크게 향상됐다. 조승우 연구위원은 “기존 근육질환 치료 방법을 대체할 수 있는 새로운 의료기술 개발에 성공했다”고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 2월 19일자에 게재됐다.