연구원들은 발광, 자가 치유 및 자기적 특성을 갖춘 확장 가능한 로봇 섬유를 혁신했습니다.

싱가포르 국립대학(NUS)의 디자인 및 공학 대학 재료과학 및 공학과의 학제간 과학자 팀이 자가 치유, 발광 및 자기적 특성을 지닌 유연한 섬유를 개발했습니다.

확장 가능한 하이드로겔 클래드 이오노트로닉 니켈 코어 전기 발광(SHINE) 파이버는 구부러질 수 있고, 매우 가시적인 빛을 방출하며, 절단 후 자동으로 복구되어 원래 밝기의 거의 100%를 회복할 수 있습니다. 또한, 파이버는 무선으로 전원을 공급하고 자기력을 사용하여 물리적으로 조작할 수 있습니다.

여러 가지 유용한 기능이 단일 장치에 통합되어 있어, 이 섬유는 발광 소프트 로봇 섬유와 대화형 디스플레이로 잠재적으로 응용될 수 있습니다. 또한 스마트 섬유로 짜여질 수도 있습니다.

"오늘날 대부분의 디지털 정보는 주로 발광 장치를 통해 전송됩니다. 우리는 빛을 방출할 수 있는 지속 가능한 소재를 개발하고 섬유와 같은 새로운 폼 팩터를 탐색하는 데 매우 관심이 있습니다. 이는 스마트 섬유와 같은 응용 시나리오를 확장할 수 있습니다. 지속 가능한 발광 장치를 설계하는 한 가지 방법은 피부와 같은 생물학적 조직과 마찬가지로 자체 치유가 가능하도록 만드는 것입니다." 이 연구의 수석 연구원인 Benjamin Tee 준교수가 말했습니다.

이 팀은 NUS의 건강 혁신 기술 연구소(iHealthtech)와 협력하여 연구를 진행했고, 2024년 12월 3일 Nature Communications 에 게재되었습니다.

단일 기기에 담긴 다기능 혁신

발광 섬유는 소프트 로봇, 웨어러블 전자 제품, 스마트 섬유를 포함한 여러 도메인에서 기존 기술을 보완할 수 있는 잠재력 덕분에 급성장하는 관심 분야가 되었습니다. 예를 들어, 동적 조명, 대화형 디스플레이, 광학 신호와 같은 기능을 제공하면서 유연성과 적응성을 제공하면 인간-로봇 상호 작용을 보다 반응성 있고 직관적으로 만들어 개선할 수 있습니다.

그러나 이러한 섬유의 사용은 종종 물리적인 취약성과 복잡성을 증가시키거나 에너지 수요를 증가시키지 않고 여러 기능을 하나의 장치에 통합하는 어려움으로 인해 제한됩니다.

NUS 연구팀의 SHINE 파이버는 단일 확장형 장치에서 광 방출, 자가 치유 및 자기 작동을 결합하여 이러한 과제를 해결합니다. 손상 후 자가 복구가 불가능하거나 물리적으로 조작할 수 없는 시중의 기존 광 방출 파이버와 달리 SHINE 파이버는 보다 효율적이고 내구성이 뛰어나며 다재다능한 대안을 제공합니다.

이 섬유는 자기적 반응을 위한 니켈 코어, 광 방출을 위한 황화 아연 기반 전기 발광 층, 투명성을 위한 하이드로겔 전극을 결합한 동축 설계를 기반으로 합니다. 확장 가능한 이온 유도 겔화 공정을 사용하여 팀은 최대 5.5m 길이의 섬유를 제작했으며, 거의 1년간의 야외 보관 후에도 기능을 유지했습니다.

"밝은 실내 조명 조건에서 선명한 가시성을 보장하려면 일반적으로 최소 300~500cd/m2의 광도가 권장됩니다."라고 Tee 조교수가 말했습니다. "저희 SHINE 파이버는 1068cd/m2의 기록적인 광도를 가지고 있어 임계값을 편안하게 초과하여 조명이 밝은 실내 환경에서도 매우 잘 보입니다."

섬유의 하이드로겔 층은 주변 조건에서 화학 결합을 재형성하여 자체 복구하는 반면, 니켈 코어와 전기발광 층은 50도 섭씨에서 열에 의한 쌍극자 상호 작용을 통해 구조적, 기능적 무결성을 회복합니다.

"더 중요한 것은, 복구 프로세스가 섬유의 원래 밝기의 98% 이상을 회복시켜 수리 후 기계적 응력을 견딜 수 있도록 보장한다는 것입니다." Tee 조교수가 덧붙였습니다. "이 기능은 손상되고 나중에 자체 수리된 섬유의 재사용을 지원하여 발명품을 장기적으로 훨씬 더 지속 가능하게 만듭니다."

SHINE 파이버는 니켈 코어로 가능한 자기 작동도 특징입니다. 이 속성 덕분에 파이버를 외부 자석으로 조작할 수 있습니다. 논문의 첫 번째 저자인 푸 쉬메이 박사는 "이것은 좁은 공간을 조종하고, 복잡한 동작을 수행하고, 실시간으로 광학적으로 신호를 보낼 수 있는 발광 소프트 로봇 파이버와 같은 응용 프로그램을 가능하게 하기 때문에 흥미로운 속성입니다."라고 말했습니다.

새로운 인간-로봇 상호작용의 풀림

SHINE 섬유는 절단 후 빛을 방출하고 쉽게 자가 치유되는 스마트 섬유로 뜨개질하거나 엮을 수 있어 웨어러블 기술에 내구성과 기능성 요소를 더합니다. 고유한 자기 작동으로 섬유 자체도 소프트 로봇으로 기능하여 빛을 방출하고 자가 치유하며 좁은 공간을 탐색하고 완전히 절단된 후에도 광학적으로 신호를 보낼 수 있습니다. 또한 섬유는 상호 작용 디스플레이에 사용할 수 있으며, 자성으로 인해 어둠 속에서 광학적 상호 작용과 신호를 용이하게 하는 동적 패턴 변경이 가능합니다.

앞으로 팀은 섬유의 자기 작동 정밀도를 개선하여 더욱 민첩한 로봇 응용 프로그램을 지원할 계획입니다. 또한 온도와 습도를 감지하는 기능과 같은 감지 기능을 전적으로 SHINE 섬유로 만든 발광 직물에 짜는 가능성도 모색하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241206112224.htm