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경북대 전자공학부 김학린 교수팀은 인하대 위정재 교수팀과 서울대 조맹효 교수팀과의 공동 연구를 통해 연속적이고 제어가능한 형태의 광기계적 점핑(jumping) 구현이 가능한 액정고분자 기반 소프트 로봇을 개발했다. 이번 연구결과는 최근 엘스비어(Elsevier)지에서 발간하는 세계 최고 수준의 학술지인 ‘머티리얼스 투데이(Materials Today, Impact Factor: 31.04)’ 10월호 표지논문으로 선정되었다.

소프트 로봇은 유기체를 모방하여 제작된 로봇으로, 간단한 구동시스템 및 외부 환경에 적응하기 쉬운 구조로 인해 최근 많은 연구들이 이루어지고 있으며, 특정 자극을 소프트 로봇에 인가함에 따라 사전 설계된 동작을 구현하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 중 점핑 동작을 구현하기 위해서는 외부 자극에 의한 소프트로봇의 변형 과정에서 에너지를 효과적으로 축적시킴과 동시에 점핑 직전에 에너지를 순간적으로 방출시키는 과정이 요구되며, 기존 개발된 소프트로봇 기술로는 연속적이고 제어가능한 점핑 동작을 별도의 부가장치 없이 단일 고분자 박막에서 구현하지 못하였다.

연구팀은 광 자극에 반응하는 아조벤젠(azobenzene) 분자가 액정 모노머(monomer)와 결합 된 형태의 아조-액정고분자 기반의 소프트로봇을 제작하였으며, 자극이 인가되기 전 초기 상태에서의 쌍안정 모노클라스틱(monoclastic) 구조와 광 자극에 의한 변형 과정에서 에너지를 효과적으로 축적시킴과 동시에 순간적으로 방출시킬 수 있는 안티클라스틱(anticlastic) 구조를 중간 상태에서 구현하기 위해 아조-액정고분자 박막 형태에 따른 액정 디렉터(director)의 정렬 축 설계를 진행하였다.

제작된 소프트로봇은 구부러진 상/하 방향에 따른 두 가지 초기 쌍안정 구조에서 모두 점핑 동작 구현이 가능하였으며, 패터닝된 광 자극을 소프트로봇에 인가함으로써 박막 상 비등방 스트레스 분포를 유발하여 점핑 방향/높이/각도들 또한 안정적으로 제어할 수 있었다. 이렇게 본 연구에서 제안한 소프트로봇은 사용자의 요구 사항에 따라 광 자극을 선택적으로 제어함으로써 연속적이고 제어가능한 형태의 점핑 동작을 구현할 수 있으며, 광 자극에 의해 구동되는 단일 고분자 박막 형태의 소프트로봇 중 이러한 방식의 점핑 동작 제어가 가능함을 보여준 최초의 사례이다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 사업, 국가핵심소재연구단(특화형) 사업 및 창의연구지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.