프린터의 근육: 움직이는 실리콘

Empa 연구원들은 실제 근육과 보조를 맞출 수 있는 인공 근육을 개발하고 있습니다. 그들은 이제 3D 프린팅을 사용하여 부드럽고 탄력적이지만 강력한 구조를 생산하는 방법을 개발했습니다. 언젠가는 의학이나 로봇 공학에서 사용될 수 있을 것입니다. 그리고 버튼 하나만 누르면 움직여야 하는 다른 모든 곳에서도 사용될 수 있을 것입니다.

인공 근육은 로봇을 움직이는 데 그치지 않습니다. 언젠가는 사람들이 일하거나 걸을 때 보조하거나 다친 근육 조직을 대체할 수 있습니다. 그러나 실제 근육과 비교할 수 있는 인공 근육을 개발하는 것은 큰 기술적 과제입니다. 인공 근육은 생물학적 대응물과 보조를 맞추기 위해 강력할 뿐만 아니라 탄력 있고 부드러워야 합니다. 인공 근육의 핵심은 소위 액추에이터입니다. 전기적 자극을 움직임으로 변환하는 구성 요소입니다.

액추에이터는 집, 자동차 엔진 또는 고도로 발달된 산업 공장 등 버튼을 누르면 무언가가 움직이는 곳이면 어디든 사용됩니다. 그러나 이러한 단단한 기계적 구성 요소는 아직 근육과 공통점이 많지 않습니다.

모순의 조정

Empa 기능성 폴리머 연구실의 연구진은 연성 소재로 만든 액추에이터를 개발하고 있습니다. 이제 처음으로 3D 프린터를 사용하여 이처럼 복잡한 구성 요소를 생산하는 방법을 개발했습니다. 소위 유전체 탄성 액추에이터(DEA)는 전도성 전극 소재와 비전도성 유전체라는 두 가지 실리콘 기반 소재로 구성되어 있습니다. 이러한 소재는 층으로 서로 맞물립니다.

Empa 연구원인 패트릭 대너는 "손가락을 엇갈리게 끼우는 것과 비슷합니다."라고 설명합니다. 전극에 전압을 가하면 액추에이터가 근육처럼 수축합니다. 전압을 끄면 원래 위치로 이완됩니다.

Danner는 이러한 구조를 3D로 인쇄하는 것이 사소한 일이 아니라는 것을 알고 있습니다. 매우 다른 전기적 특성에도 불구하고 두 가지 부드러운 소재는 인쇄 과정에서 매우 유사하게 작동해야 합니다. 혼합되지 않아야 하지만 완성된 액추에이터에서 여전히 함께 유지되어야 합니다. 인쇄된 "근육"은 전기적 자극이 필요한 변형을 일으킬 수 있도록 가능한 한 부드러워야 합니다. 여기에 모든 3D 인쇄 가능 소재가 충족해야 하는 요구 사항이 추가됩니다. 즉, 프린터 노즐에서 압출될 수 있도록 압력을 받으면 액화되어야 합니다.

그러나 그 직후에는 인쇄된 모양을 유지할 만큼 점성이 있어야 합니다. Danner는 "이러한 특성은 종종 직접적으로 모순됩니다."라고 말합니다. "그 중 하나를 최적화하면 다른 세 가지가 변경됩니다... 보통 더 나빠집니다."

VR 장갑에서 뛰는 심장까지

ETH 취리히의 연구자들과 협력하여, 연구 그룹 Functional Polymeric Materials를 이끄는 Danner와 Dorina Opris는 이러한 모순되는 속성 중 많은 부분을 조화시키는 데 성공했습니다. Empa에서 개발한 두 가지 특수 잉크는 ETH 연구원 Tazio Pleij와 Jan Vermant가 개발한 노즐을 사용하여 작동하는 소프트 액추에이터에 인쇄됩니다. 이 협력은 ETH Domain의 전략적 영역인 Advanced Manufacturing의 일부인 대규모 프로젝트 Manufhaptics의 일부입니다. 이 프로젝트의 목적은 가상 세계를 실체화하는 장갑을 개발하는 것입니다. 인공 근육은 저항을 통해 물체를 잡는 것을 시뮬레이션하도록 설계되었습니다.

그러나 소프트 액추에이터에는 훨씬 더 많은 잠재적인 응용 분야가 있습니다. 가볍고 소음이 없으며 새로운 3D 인쇄 공정 덕분에 필요에 따라 모양을 만들 수 있습니다. 자동차, 기계 및 로봇의 기존 액추에이터를 대체할 수 있습니다. 더욱 발전하면 의료용으로도 사용할 수 있습니다. Dorina Opris와 Patrick Danner는 이미 이를 연구하고 있습니다. 그들의 새로운 공정은 복잡한 모양뿐만 아니라 긴 탄성 섬유도 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다.

Opris는 "조금만 더 얇게 만들 수 있다면 실제 근육 섬유가 작동하는 방식에 매우 가깝게 만들 수 있습니다."라고 말합니다. 이 연구원은 미래에 이러한 섬유로 전체 심장을 인쇄할 수 있을 것이라고 믿습니다. 그러나 그러한 꿈이 현실이 되기까지는 아직 해야 할 일이 많습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250311122655.htm