포스텍, 자연의 ‘나선 비밀’ 풀었다···자가 구동 소프트 로봇 개발

POSTECH(포항공과대학교) 연구진이 자연의 나선 구조 원리를 모방해 스스로 움직이는 소프트 로봇을 개발하며 차세대 로봇 기술의 새로운 가능성을 제시했다.

POSTECH 신소재공학과 김연수 교수와 정태훈 박사 연구팀은 덩굴식물과 미생물의 움직임에서 착안해 작은 변형을 큰 움직임으로 증폭시키는 나선형 하이드로겔을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 Advanced Materials에 게재됐다.

자연에서 나선 구조는 매우 효율적인 운동 방식으로 활용된다. 덩굴식물은 줄기를 나선형으로 비틀며 작은 힘으로도 높이 성장하고, 짚신벌레와 같은 단세포 생물은 위험을 감지하면 스프링처럼 몸을 빠르게 수축한다. 이러한 나선형 구조는 작은 움직임을 크게 증폭시키는 ‘자연의 설계 원리’로 알려져 있다.

연구팀은 기존처럼 여러 소재를 결합하는 방식 대신, 단일 소재를 나선형으로 형성하는 새로운 접근법을 택했다. 

유리 모세관에 나선형 포토마스크를 감고 자외선 흡수제를 활용한 광중합 공정을 적용해, 하나의 소재 내부에 농도 차이를 형성하고 이를 통해 자연스러운 나선 구조를 구현했다. 복잡한 조립 과정 없이도 자연의 구조적 특성을 구현한 것이 핵심이다.

이렇게 제작된 나선형 하이드로겔은 열, 빛, 산성 환경 등 다양한 외부 자극에 반응해 수축하며, 특히 열 자극 시 기존 구조보다 약 1.6배 큰 수축 효과를 보였다. 연구팀은 이를 활용해 끈을 따라 자벌레처럼 이동하는 소프트 로봇 제작에도 성공했다.

더 나아가 연구팀은 외부 전력 없이 스스로 움직이는 기능도 구현했다. 벨루소프–자보틴스키 반응을 적용해 화학 반응만으로 주기적인 수축과 이완을 반복하는 자가 구동 시스템을 개발한 것이다. 해당 구조는 기존 대비 진동 폭이 4배, 수축 속도가 3.4배 향상된 성능을 보였다.

이번 연구는 자연의 기하학적 구조를 공학적으로 구현해 새로운 설계 패러다임을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 체내 이동형 의료 마이크로 로봇, 인공 근육, 웨어러블 소프트 기기 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

정태훈 박사는 “자연의 나선 구조가 가진 운동 증폭 원리를 자가진동 화학 반응과 결합해 단일 소재만으로 자율 구동 시스템을 구현한 것이 핵심”이라고 설명했다. 

김연수 교수는 “복잡한 제어나 전력 없이 작동하는 차세대 로봇 기술의 방향을 제시한 연구”라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 행정안전부 재난안전 분야 연구개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.