생체근육형 고출력 경량의 인공근육 구동기 개발- 감각기능을 갖춘 바이오닉 손/팔 개발 기반 마련

생체근육형 고출력 경량의 인공근육 구동기 개발- 감각기능을 갖춘 바이오닉 손/팔 개발 기반 마련

 

작성일 : 2017. 10. 10. 융합기술과

 

  

생체근육형 고출력 경량의 인공근육 구동기 개발
- 감각기능을 갖춘 바이오닉 손/팔 개발 기반 마련 -

□ 성균관대학교 최혁렬 교수 연구팀이 감각기능을 갖춘 의수 구현에 필요한 고출력 경량의 인공근육으로 작동하는 생체근육형 구동기를 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

ㅇ 기존의 기계형 팔과 손 등에 사용되는 모터형 구동기는 크기와 힘에 한계가 있었다. 무게가 무거우며, 상하·좌우 운동으로 움직임이 단조롭다는 단점이 있었다.

ㅇ 이번에 세계 최초로 개발된 인공근육형 구동기는 가벼운 스판덱스(Spandex)* 섬유를 꼬아서 제작한 것으로 기존 모터형에 비해 높은 힘을 낼 수 있다. 또한, 우수한 강도와 인성(靷性)을 갖춘 근골격으로 움직임이 훨씬 자유롭다는 장점을 가진다.
  * 나일론과 여러 섬유를 혼합하여 만든 고무와 같이 신축성이 있는 합성섬유

ㅇ 또한, 신축성이 뛰어난 직물로 직조가 가능하고 동시에 생체근육과 유사한 수축·이완 및 회전운동이 가능해 절단환자용 의수·의족뿐만 아니라 착용형 기기나 인공지능 로봇 등에도 크게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 본 연구는 과기정통부의 바이오닉암 메카트로닉스융합기술개발사업의 지원으로 2014년부터 수행하고 있다. 이번 연구를 통해 3건의 국내특허를 출원(’17.1월,7월)했고, 2건의 논문을 SCI 저널*에 게재(’17.2월,9월)했다.
    * Smart Materials and Structures(impact factor: 2.909) : IOP(Institute of Physics) Publishing에서 발간하는 과학기술논문인용색인(SCI) 저널임

ㅇ 한편, 이번 성과로 2019년을 목표로 하고 있는 인공피부, 피부형 촉감 감지기(센서) 등 요소기술 융합으로 감각기능을 갖춘 바이오닉 손‧팔 개발에 한 발짝 더 다가서게 되었다.

붙임 1. 연구결과 개요
     2. 근육형 구동기 원리 설명
     3. 최혁렬 교수 이력사항

연구결과  개요

 1. 연구배경
인공근육 구동기는 인간의 움직임을 모사하는데 있어서 가장 핵심적인 요소 기술이지만 아직까지도 사용하기에 적절한 인공근육 구동기의 기술은 개발되지 않았다. 현존하는 구동기들은 대부분(97%이상) 0.1~1 kg 중량의 범위에서 감속기를 포함한 DC 모터들로 사용되고 이 모터들은 대체로 ~100 W의 출력을 낼 수 있다. 하지만 약 300 W/kg 의 비출력을 내는 포유류의 근육을 생각하면 낮은 수준이며, 모터 고유의 거대한 부피와 부족한 유연성은 생체 근육과 같은 인공근육 구동기로는 적합하지 않다. 본 연구에서는 인간의 근육/근섬유의 구조와 구동 메커니즘을 규명하여 인공근육에 적합한 Active 유연 소재와 구조를 선정하고, 이를 기반으로 생체모방 인공 근섬유 구동기를 개발하였다. 

 2. 연구내용
 본 연구진은 생체 근육을 능가하는 고변위/고출력의 인공근육형 구동기를 위해 인공근육 파이버와 이를 직조(weaving)하여 다양한 형태의 인공근육 구동기를 개발하였다. 본 연구진은 경량의 신축성 섬유(spandex 원사)를 사용하여 dual-twisting을 통하여 인공근육 파이버를 쉽게 제작할 수 있는 최적의 공정기술, 장치를 개발하였다. 더욱이 섬유로 제작된 인공근육 구동기를 실제 근육과 같이 다발형태로 묶는 기술과 옷감과 같은 직물 형태로 제작 하는 기술 또한 개발하였다. 본 연구진은 이 기술을 통해 제작된 다발형태의 근육을 팔, 골격 모형에 적용하여 사람의 움직임을 모사할 수 있음을 확인하였다. 또한 개발된 인공근육 구동기는 전극물질이나 열선을 활용해 전기 구동이 가능하기 때문에 기존의 전자회로로 쉽게 제어가 가능하다.

 3. 기대효과
 개발된 인공근육 구동기는 유연하면서도 우수한 구동성능( <35%이상 구동 )을 보여주며 이는 세계 최고 수준이다. 경량의 신축성 섬유로 제작되어 모듈화 혹은 직물로 직조가 가능해 절단환자용 의지(의족, 의수)는 물론, 착용형 로봇, 차세대 의류에도 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
 4. 특허명과 발명자 정보

  ① 특허명 : 폴리우레탄 파이버 기반의 액츄에이터를 제작하는 방법 및 상기 방법으로 제작된 폴리우레탄 파이버 기반의 액츄에이터
   - 국내특허 출원번호 : 10-2017-0005158
   - 발명자 정보 : 최혁렬 조경호 송민근 김영은 정호상 양상율

  ② 특허명 : 냉각액 순환형 인공 근육
   - 국내특허 출원번호 : 10-2017-0010938
   - 발명자 정보 : 최혁렬 송민근 조경호 정호상 양상율

  ③ 특허명 : 소프트 액츄에이터 제조장치 및 이를 이용한 소프트 액츄에이터 제조방법
   - 국내특허 출원번호 : 10-2017-0086409
   - 발명자 정보 : 최혁렬 조경호 양상율 김영은 김기현 정호상 박재형

 5. 논문명과 저자 정보
  ① 논문명 : Electrically controllable twisted-coiled-artificial muscle actuator using surface-modified polyester fibers
   - 저자 정보 : Jungwoo Park, Ji Wang Yoo, Hee Won Seo, Youngkwan Lee, Jonghwan Suhr, Hyungpil Moon, Ja Choon Koo, Hyouk Ryeol Choi, Robert Hunt, Kwang Jin Kim, Soo Hyun Kim and Jae-Do Nam

  ② 논문명 : High performance twisted and coiled soft actuator with spandex fiber for artificial muscles
   - 저자 정보 : Sang Yul Yang, Kyeong Ho Cho, Youngeun Kim, Min-Geun Song, Ho Sang Jung, Ji Wang Yoo, Hyungpil Moon, Ja Choon Koo, Jae-do Nam and Hyouk Ryeol Choi

근육형 구동기 원리

□ 인공근육형 구동기 제작 과정
 o 신축성 섬유(Spandex fiber)를 필요한 길이만큼 자른 후 클립에 연결함.(a)
 o 개발된 트위스팅 장비를 통해 신축성 섬유를 트위스팅 함.(b)
 o 나선방향으로 배열되었던 신축성 섬유가 충분한 트위스팅이 되면 코일이 생기게 되며 이를 2차다시 coil하여 2차코일을 형성.(c~d)
 o 코일이 모두 완성되었을 때, 열처리(training)를 통하여 신축성 섬유를 유연하게 함.(e)
 o 열처리를 통해 코일과 코일 사이의 간격이 멀어지게 되며, 이는 추후 열에 의해 코일이 움직일 때 구동할 수 있는 공간으로 사용됨.

□ 인공근육형 구동기 구동 원리
 o 트위스팅을 통하여 제작된 근육형 구동기는 코일의 구조를 가짐.
 o 신축성 섬유는 열을 가할 시 길이방향으로는 수축하고 두께 방향으로는 팽창하는 특성을 가짐.
 o 나선방향으로 배열된 신축성 섬유가 코일 형상을 가진 상태에서 열을 가할시, 신축성 섬유의 두께 방향의 팽창으로 인하여 트위스팅이 된 방향과 반대로 파이버가 회전 하게 되고, 이는 코일 구조에서 수축하는 방향으로 움직이게 됨.

그림 1 인공근육 파이버 제작 과정과 구동원리

그림 5 인공근육 실로 직조한 인공근육 천(fabric)

그림 2 Spandex 원사로 제작한 인공근육 실(wire)

  그림 3 인공근육 실로 직조하는 과정

그림 4 인공근육 실로 직조한
원통형 인공근육 구동기
   
 
그림 6 인공근육으로 움직이는 팔 모형

그림 7 인공근육으로 작동하는 손 골격

최혁렬 교수 이력사항

1. 인적사항 
 ○ 소  속 : 성균관대학교 기계공학부
 

 

2. 경력사항
 ○ 1995 ~ 현재  성균관대학교 기계공학부 조교수/부교수/교수
 ○ 2017 ~ 현재  한국로봇학회 수석부회장(차년도 회장)
 ○ 2008 ~ 2009  University Washington 방문연구원
 ○ 2000 ~ 2001  Japan, Advanced Institute of Industrial Science and Technology,  Intelligent System Institute(AIST) 방문연구원
 ○ 1993 ~ 1995  Kyoto University, Mechanical Engineering, Professor     Yoshikawa's Laboratory 방문연구원
 ○ 1986 ~ 1989  LG전자 정보기술원 주임연구원

3. 전문분야
 ○ Soft Mechatronics; artificial muscle actuator, soft sensors, bio Application of Robots
 ○ Interaction sensing/control: force control, grasping/manipulation, teaching, collaboraive robots, surgical robot.
 ○ Field robotics: inpipe robots, walking and climbing robots, off-road locomotion, soft drone