사진. 서울공대

서울대학교 공과대학 재료공학부 강승균 교수 연구팀은 자기장 모드 전환만으로 소프트 로봇의 움직임과 분해를 선택적으로 제어할 수 있는 자성 실리콘 엘라스토머를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구에는 서울대학교 재료공학부 한지은 박사과정생, 안현 박사과정생과 권민상 교수, 김상국 교수, 강승균 교수가 참여했다.

연구팀이 개발한 소재는 자성 나노입자가 포함된 실리콘 엘라스토머 복합체다. 이 소재는 자기장이라는 단일 자극만으로 로봇의 형태 변형과 구동은 물론 원하는 시점에 분해되는 기능까지 구현할 수 있도록 설계됐다.

연구 결과에 따르면 직류(DC) 자기장에서는 소재가 형태를 변형하며 구동 기능을 수행한다. 반면 기가헤르츠(GHz) 대역의 교류(AC) 자기장이 가해지면 강자성 공명 기반 자기열 효과가 발생해 소재 내부 특정 부위의 온도를 급격히 상승시키고 분해를 유도한다.

특히 연구진은 AC 자기장 환경에서 1초 이내에 국소 온도를 200℃ 이상까지 높이는 데 성공했으며, 이를 통해 실리콘 엘라스토머가 빠르게 분해되는 현상을 확인했다.

이번 연구의 핵심은 자철석(Fe3O4) 기반 자성 나노입자를 하나의 소재 안에서 서로 다른 역할로 활용한 점이다.

연구팀은 직류 자기장에서는 자성 나노입자를 구동원으로 활용해 소프트 액추에이션을 구현했다. 소프트 액추에이션은 유연한 소재가 외부 자극에 반응해 움직이거나 형태를 변화시키는 기술로, 사람의 근육과 유사한 움직임을 구현하는 소프트 로봇의 핵심 요소다.

반면 교류 자기장에서는 자성 나노입자의 자기공명 현상을 활용해 열을 발생시키는 자기열원 역할을 수행하도록 설계했다. 자기공명은 자성 입자가 특정 주파수의 자기장에 강하게 반응하며 에너지를 흡수하는 현상으로, 흡수된 에너지는 열로 전환돼 소재를 빠르게 가열한다.

연구진은 이러한 강자성 공명 기반 자기열 효과를 통해 별도의 광원이나 추가 열원 없이도 소재 분해를 유도하는 데 성공했다.

또한 해당 소재는 분해 기능을 갖추면서도 460% 이상의 높은 연신율을 유지했다. 이는 원래 길이의 약 5.6배까지 늘어날 수 있는 수준으로, 실제 소프트 로봇과 유연 액추에이터에 적용 가능한 기계적 유연성과 내구성을 확보했다는 의미다.

이번 기술은 단순히 움직이는 소프트 로봇을 넘어 임무 수행 후 스스로 소멸하는 로봇 플랫폼의 가능성을 제시했다는 점에서 주목받고 있다.

기존 자가소멸 소재는 구동과 분해를 위해 서로 다른 자극 체계를 사용해야 했으며, 자외선 기반 방식은 차폐 구조 내부에서 활용하기 어려운 한계가 있었다. 또한 열 기반 분해 방식 역시 가열 속도와 균일성 측면에서 제약이 존재했다.

반면 이번 기술은 자기장 하나만으로 구동과 분해를 모두 구현해 시스템 구조를 단순화하면서도 밀폐 공간이나 위험 지역에서도 원격 제어가 가능하다.

연구진은 해당 기술이 향후 막힌 배관 내부로 진입해 청소 작업을 수행한 뒤 스스로 사라지는 로봇, 탐사 임무 후 회수가 필요 없는 소프트 로봇 등에 적용될 수 있을 것으로 전망했다.

또한 임무 종료 후 흔적을 최소화해야 하는 보안형 전자소자와 일시적 전자기기 분야에도 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다.

서울대학교 강승균 교수는 "소프트 로봇의 구동과 소멸을 자기장으로 통합 제어하는 자성 엘라스토머를 개발했다는 데 이번 연구의 의의가 있다"라며 "회수가 어려운 환경에서 활용 가능한 차세대 소프트 로봇과 보안형 전자소자 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다"라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지인 Advanced Functional Materials에 지난 5월 11일(월) 게재됐다.