[논문]생체모방 물갈퀴형 IPMC 구동기 설계

김선기; 김온아; 이승엽

생체모방 물갈퀴형 IPMC 구동기 설계
Biomimetic Design of IPMC Actuator having Webfoot Form 원문보기

김선기 (서강대학교 기계공학과) , 김온아 (서강대학교 기계공학과 대학원) , 이승엽 (서강대학교 기계공학과)

Ionic polymer metal composite (IPMC), one of Electro- Active Polymer (EAP) actuators, has great attention due to the low-voltage driven, large deformation and its potential for artificial muscles. In this paper, we firstly review fish swimming modes using various propulsion mechanisms. Based on study on the swimming mechanisms, we develop an underwater robot actuator which mimics fanning motion of webfoot form. It consists of four actuators fabricated by using IPMC and PDMS which mimics Bio-inspired motion Experiments using a prototype show that the webfooted IPMC actuator generates large deformation and propulsion.

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문제 정의

본 논문에서는 그 동안 연구가 많이 이루어지지 않았던 수중 동물의 꼬리 지느러미 부분의 움직임을 모사하기 위해 물갈퀴 모양으로 설계하고 그 구동 성능을 알아 보고자 한다.
본 논문은 생체 모방 공학을 이용하여 IPMC에 PDMS가 코팅된 물갈퀴 형태의 구동기를 제안하였다. 수중 동물의 추진 원리에 따른 구동기 성능의 우수성을 알아보았다.
본 논문은 생체 모방 공학을 이용하여 IPMC에 PDMS가 코팅된 물갈퀴 형태의 구동기를 제안하였다. 수중 동물의 추진 원리에 따른 구동기 성능의 우수성을 알아보았다. 더 많은 연구를 통하여 향후 군사나 의료목적의 장치 개발로 기대할 수 있을 것이다.

가설 설정

는 물갈퀴 구동 장치의 총 부피이다. 무게(Mg)가 부력(F)보다 작으면 물갈퀴 구동 장치는 물 위로 뜰 것이다. IPMC 표면의 물이 전기분해 되어 발생되는 수포는 IPMC 양면에서 흡수되기 때문에 총 부피는 △υ 만큼 증가하여 부력도 이에 상응하여 증가한다.

제안 방법

IPMC(L45mm, × W 4mm × T0.3mm)를 PDMS에 접합하여 물갈퀴 모양 구동기를 완성하였다.
더 많은 연구를 통하여 향후 군사나 의료목적의 장치 개발로 기대할 수 있을 것이다. IPMC로 구성된 물갈퀴를 제작하여 각각 변위와 힘, 그리고 구동기 4개를 적용하여 구동 장치의 속도를 측정하였다.
꼬리지느러미(caudal fin) 는 물고기의 추진력 대부분을 발생시키는 중요한 역할을 한다. 그 원리와 개념을 이해하고 꼬리부분의 파동 운동을 생체 공학적으로 모방하였다.
본 실험은 LC-2400A의 비접촉식 레이져 측정기로 변위를 측정하였고 힘은 강성이 1gforce/mm의 stainless steel bar에 물갈퀴 모양 구동기를 구동하여 변위를 측정 계싼하였다. 3V 전압을 사각파형 1Hz부터 8Hz까지 1Hz 간격으로 입력하였다.
입력된 신호에 따라 작동하는 물갈퀴형 IPMC 구동기의 변위는 센서의 측정 범위의 한계로 인하여 가로 22mm인 지점에서 측정 하였다. Fig.
3V 전압을 사각파형 1Hz부터 8Hz까지 1Hz 간격으로 입력하였다. 특히, 1차 공진 모드점 5.71Hz 주파수 근처 값 입력하여 물갈퀴 모양 구동기의 변위와 힘을 측정 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서 제작된 IPMC는 Nafion에 백금을 무전해 도금하여 전극을 제작하였다. IPMC는 내부의 이온들의 이동으로 인하여 구동을 하며 이온들은 이온 수분 클러스터의 한 형태로도 존재한다.
본체는 FIg. 8과 같이 스티로폼으로 제작하였고 물갈퀴 구동기에 전압을 인가할 때 IPMC 양면 전체에 고르게 전압이 공급되어야 하기 때문에 플라스틱 집게에 구리 금속을 균일하게 입혀 전극을 완성하였다. 전선을 포함한 전체 무게는 20g이다.

성능/효과

20g 무게를 가진 물갈퀴 구동장치는 힘이 가장 크게 나타난 사각파형 1Hz 주파수 3V 전압을 각각 4개의 물갈퀴 모양 구동기에 인가하고 10회 측정하여 평균 2 × 10-3m/s로 측정되었다.
Ansys Workbench 해석을 통해 1차 공진 모드점은 5.71Hz에서 발생되는 것으로 예측 되었으나 측정 실험 결과 0.54Hz 높은 6.25Hz에서 변위 1.3mm, 힘 0.001 mgforce으로 각각 측정되었다. 반면에 1Hz에서 변위는 0.

후속연구

수중 동물의 추진 원리에 따른 구동기 성능의 우수성을 알아보았다. 더 많은 연구를 통하여 향후 군사나 의료목적의 장치 개발로 기대할 수 있을 것이다. IPMC로 구성된 물갈퀴를 제작하여 각각 변위와 힘, 그리고 구동기 4개를 적용하여 구동 장치의 속도를 측정하였다.
향후 물갈퀴형 구동 장치를 무선으로 구연하여 전선의 장력에 영향을 받지 않고 구동 방향을 제어하는 연구 및 실험을 수행할 예정이다. 이를 통해 좀 더 정밀한 실험결과를 기대할 수 있을 것이다.
향후 물갈퀴형 구동 장치를 무선으로 구연하여 전선의 장력에 영향을 받지 않고 구동 방향을 제어하는 연구 및 실험을 수행할 예정이다. 이를 통해 좀 더 정밀한 실험결과를 기대할 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

IPMC은 어떻게 제작되는가?

대표적인 물질인 IPMC(Ionic polymer metal composite)는 Nafion 고분자 물질에 백금 무전해도금법으로 제작되었다. 이것은 대변형을 일으키기 용이하며 가볍고, 소모 전력이 적다.

능동 폴리머를 적용한 구동기는 어떤 특성을 갖는가?

최근에 연구되고 있는 능동 폴리머를 적용한 구동기는 폴리머의 가볍고 연한 재질특성을 가지고 있다. 따라서 다양한 형태의 구동기 제작이 용이하고 저전압에서 큰 변위를 발생하여 전기 모터 등의 기존의 전통적인 구동기나 압전 구동기에서는 볼 수 없는 많은 장점을 가지고 있다.

IPMC의 장점은?

대표적인 물질인 IPMC(Ionic polymer metal composite)는 Nafion 고분자 물질에 백금 무전해도금법으로 제작되었다. 이것은 대변형을 일으키기 용이하며 가볍고, 소모 전력이 적다. 또한 소음이 적고 인간생체에 대한 적합성과 생물체의 움직임 모사 구동설계에 적용이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 이로 인해 의료, 군사 등 다양한 분야에서 학제간의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

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