김학린 교수 연구팀 (최준찬 박사), Advanced Science 저널에 (IF 15.1) 대표표지논문으로 광역학 구동 soft micro-robot 연구성과 게재 및 대외홍보기사 게재

[학부홈페이지 홍보 기사]

김학린 교수 연구팀 (최준찬 박사), Advanced Science 저널에 (IF 15.1) 대표표지논문으로 광역학 구동 soft micro-robot 연구성과 게재 및 대외홍보기사 게재

저널명: Advanced Science

논문명: Steerable and agile light‐fueled rolling locomotors by curvature‐engineered torsional torque

교신저자: 김학린 교수(경북대학교 전자공학부, 주교신), 위정재 교수(한양대학교 유기나노공학과, 공동교신)

제1저자: 최준찬 박사(한국과학기술연구원, 경북대 박사 졸업), 전지수 박사(인하대학교 고분자공학과 박사 졸업)

공동저자: 이재원(경북대학교, 박사과정생), Asad Nauman(경북대학교, 박사과정생), 이찬우(경북대학교, 박사과정생), 조영민(경북대학교, 학부연수생), 이재경(한양대학교, 박사과정생), 조웅비(한양대학교, 박사과정생)

경북대학교 전자공학부 김학린 교수팀은 한양대학교 위정재 교수팀과 공동연구를 통해 다양한 외부 구동 환경에서 강한 회전 토크로 빠른 회전 속도를 유지하며 실시간 방향 제어가 원격으로 이루어지는 액정 고분자 기반 광기계적 롤링(rolling) 동작을 구현할 수 있는 소프트 로봇을 개발하였다. 이번 연구 결과는 Wiley에서 발간하는 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, Impact factor: 15.1)’의 대표표지논문(main cover article)으로 최근에 선정되어 주목을 받았다.

유기체를 모방하여 제작되는 소프트 로봇은 모터 등으로 구동되는 강성 로봇들과 달리, 별도의 전원부나 모터를 구동하기 위한 유선의 전선 연결이 없이도, 빛/온도/습도/화학물질 등의 외부 자극에 기능적으로 반응할 수 있는 물질을 이용하여 외부 환경에 쉽게 적응할 수 있는 구조로 제작되고 있으며, 기존의 강성 로봇이 미치지 못하는 영역에서 활용성이 기대되고 있는 최근 많은 주목을 받고 있는 연구 분야이다. 외부 자극이을 소프트 로봇에 노출되었을 때, 사전 설계된 다양한 동작 유형을 구현하고자 연구되고 있으며, 빠른 욺직임과 임의 제어 모션을 구현함으로써 그 응용처는 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다. 여러 핵심 동작 유형 중 롤링 동작은 회전 운동을 선형 이동으로 변환하여 주어진 에너지를 매우 효율적으로 사용할 수 있는 모틸리티 유형으로 빠른 이동을 가능하게 하며 인류 최대 발명품 중의 하나로 일컫어 지는 바퀴와 함께 자연계의 생명체들도 급작스런 위험 상황에서 민첩하게 탈출하기 위해 주로 사용하는 모달 유형 중 하나이다.

롤링 동작을 성공적으로 수행하려면 소프트 로봇은 외부 자극을 통해 몸체가 가역적으로 변형되어 지속적인 회전 토크를 생성하는 능력이 필요하며, 이로 인해 기존 롤링 소프트 로봇들은 대부분 원통, 막대 또는 스프링 형태의 원형 대칭구조를 사용하고 있다. 그러나 기존 원형 대칭 구조를 가지는 소프트 로봇들은 회전 과정에서 회전 축의 비대칭적인 구부림 변형을 구조적으로 허용하지 않아, 동작 과정에서 방향 전환에 제약이 컸으며, 이는 롤링 소프트 로봇의 동작 환경 및 응용처를 심히 제한한다. 최근에는 롤링 소프트 로봇의 방향 조절 기능을 부여하기 위해 추가적인 번들 구조를 소프트 로봇의 양쪽 끝에 부착한 시스템들이 소개되고 있지만, 현재까지 제안된 시스템은 구조적 한계로 인해 기존 롤링 소프트 로봇 대비 매우 느린 롤링 속도를 보이고 있었다.

연구팀은 광 자극에 반응하는 아조벤젠(azobenzene) 분자가 액정 모노머(monomer)와 결합된 형태의 아조-액정 고분자 소재를 이용하여 가장자리에서 중심부로 갈수록 너비가 좁아지는 형태의 스트립(strip)을 설계, 광 조사 시 센터 테이퍼드(center-tapered) 형태의 헬리코이드 헬릭스(helicoid helix) 구조로 변형되어 빠른 속도와 함께 정밀 조향이 가능한 롤링 소프트 로봇을 제안하였다. 아조-액정 고분자 박막의 액정 디렉터(director)의 평면 및 두께 방향으로 분자 정렬 설계와 더불어 박막의 종횡비를 제어함으로써 나선 리본 구조부터 헬리코이드 구조까지 여러 유형의 헬릭스를 구현, 헬릭스 구조에 따른 롤링 동작 메커니즘을 분석하고 평가하였다.

여러 유형의 헬릭스 구조 중 헬리코이드 헬릭스 구조는 광 조사 시 유도되는 평면 내 비틀림 토크를 기반으로 빠른 회전과 함께 직진성을 보였으며, 좁은 직경에서 빠른 회전 속도와 더불어 광 조사 조건에 따라 회전 축을 원하는 방향으로 구부릴 수 있어 조향 기능성 또한 부여 가능하였다. 빠른 회전하는 바퀴축 역할을 담당하는 중심부 영역은 강하게 꼬인 헬리코이드 헬릭스 구조를 가지며 이와 동시에 self-structuring된 바퀴 형태의 넓은 가장자리를 가지는 센터 테이퍼드 헬리코이드 구조를 구현함으로써, 롤링 소프트 로봇의 운동성 및 조향 안정성을 더욱 향상시켰다. 센터 테이퍼드 헬리코이드 구조는 일반적인 평지뿐만 아니라 매우 급격한 경사면에서도 우수한 회전 운동성을 기반으로 이동 및 조향이 가능하였으며, 수면 또는 수중에서 회전력 토크를 이용한 swimming 욺직임이 가능하였다. 이는 별도 전원 없이 빛 조사만으로 무선 원격 제어로 작동되는 소형화된 소프트 로봇의 제약없는 롤링 기능성을 보여 주는 관련 분야에서 모달리티 한계를 극복한 획기적 연구 성과로, 본 논문의 제 1저자인 최준찬 박사(현재 KIST 재직 중)는 해당 연구를 박사 과정 중 주요한 학위 연구 토픽 중 하나로 수행하였다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 사업 및 산업통상자원부의 알키미스트 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 해당 논문은 아래의 링크로 확인할 수 있다.

https://doi.org/10.1002/advs.202304715

“Steerable and Agile Light-Fueled Rolling Locomotors by Curvature-Engineered Torsional Torque”, Advanced Science, 10, 30, 2304715, (2023.10).

해당 연구 성과는 여러 일간지에서 주목할만한 연구성과로 아래와 같이 기사회되어 대외 홍보되었다.

전자신문: https://www.etnews.com/20231127000211

대학저널: https://dhnews.co.kr/news/view/1065589744780399

베리타스알파: http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=483517

뉴시스: https://www.newsis.com/view/?id=NISX20231127_0002536329&cID=10810&pID=10800