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공업화학 전망, 제25권 제2호, 2022미 일리노이 대, 얼바나샴페인과 덴마크 기술 대 공동연구팀:
지속가능한 자연 모방형 유연 로봇 및 메타 물질 개발 - 컴퓨터 알고리즘을 활용한 다중 재료 구조 구축 및 자연 발견 디자인 모방 고효율 액추에이터 및 에너지 흡수 장치 개발
소프트 로봇과 메타물질에서 요구되는 복잡한 기계적 반응은 여러 재료를 사용해야 하지만, 이러한 유형 의 구조를 만드는 것은 어렵다. 이는 선택할 재료가 너무 많고 특정 기능에 맞는 최적의 재료 조합을 결정 하는 것은 연구원이 처리해야 할 엄청난 양의 데이터 제공이 필요하기 때문이다.
최근, 일리노이대, 얼바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC) 과 덴마크 기술대(Technical University of Denmark)의 공동 연구팀은 최적화 이 론과 토폴로지 최적화 기반 컴퓨터 알고 리즘 설계를 활용, 직관이나 시행착오에 의존하지 않고 다중 재료 구조를 구축하 고 소프트 로봇과 메타 물질이라고 불리 는 물질 종류를 설계(디지털 합성: digital synthesis), 자연에서 발견되는 디자인을 모방한 고효율 액추에이터 및 에너지 흡 수 장치 생산방법을 개발했다. 이러한 새 로운 디지털 합성 공정은 타겟 기능에 대 한 최적 재료와 최적의 기하학적 특성 구 조를 만들었다.
실제, 연구팀 두 개의 서로 다른 폴리디 메틸실록산(PDMS)을 기반으로 생물학적 근육과 뼈와 매우 유사한 기능을 하는 배
열의 엘라스토머로 만든 모델 장치(개구리 다리 같은 기본 형상)를 만들었다. 주목할 것은, 연구팀에서 개 발한 모델 장치가 생물학적 진화에 기반한 자연물과 매우 일치한다는 점이다. 즉, 알고리즘의 조절을 통해 자연에서 일어날 수 있는 것처럼 기계 개구리에 더 큰 '근육'으로 반응할 수 있다. 또한, 본 연구의 다른 중 요한 강점은 지속 가능성으로써, 순수 탄성체에 기반, 재사용 가능하고 완전 복구 가능한 에너지 소산기를 설계 및 제작하였다.
본 연구는 디지털 합성 기술이 소프트 로봇 공학 및 생의학 장치 분야에서 이전에는 불가능했던 복잡한 기계적 반응을 처리할 수 있는 프로그래밍 가능한 메타물질의 범위를 늘릴 것이다.
연구성과는 미국 국립과학원의 PNAS 온라인판에 게재되었다(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (10), DOI: 10.1073/pnas.2120563119).
출처: 2022. 2. 28. ScienceDaily (https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220228150649.htm) 작성: 손 희 상 (광운대학교)
Figure. 규정된 목표 응답의 달성 위해 원활하게 협력하는 고유한 특 성을 가진 2개의 PDMS 엘라스토머를 사용하여 다중 재료 구조의 디 지털 합성 및 제작. (A) 다중 재료 디지털 합성 절차. (B) 제안된 2단 계 성형 및 주조 하이브리드 제조 공정. (C) 선별된 가공된 다중 재료 시편(Scale bar: 20 mm) (Credit: PNAS).
