대표적 공상과학 영화 중 하나인 터미네이터2가 공전의 히트를 기록한 데에는 무엇이든 변신할 수 있는 액체로봇의 영향이 컸다. 유동금속합금이라는 가상의 물질로 이뤄진 이 로봇의 변화무쌍함은 영화 개봉 당시 엄청난 센세이션을 일으켰다. 그리고 변신 가능한 로봇이야말로 진정한 미래형 로봇 모델이라는 인식을 심어주는데 지대한 영향을 미쳤다.
그런데 최근 미국의 과학자들이 영화 속 액체로봇처럼 자유자재로 변신할 정도의 수준은 아니지만, 환경에 따라서 자신의 상태를 변화시킬 수 있는 ‘상변이(Phase changing)’ 소재를 개발했다고 발표해 주목을 끌고 있다.
과학기술 전문 매체인 피스오알지(phys.org)는 미 MIT대 기계공학 및 응용수학 분야의 연구진이 딱딱한 플라스틱 형태와 부드러운 고무 상태로 상호 간 변화할 수 있는 새로운 로봇소재의 개발에 성공했다고 최근 보도했다.

변신 가능한 미래형 로봇 소재 각광

현존하는 로봇들은 대부분 단단한 금속이나 플라스틱 등의 하드(hard)한 재료로 제작되어 있다. 아직은 생물체에서 보이는 것 같은 소프트(soft)한 몸체를 가진 조직이나 근육을 흉내 낼 수 있는 기술이 부족하기 때문이다.
따라서 생체를 모방한 로봇 개발이 가능해 지기 위해서는 부드러우면서도 충분한 강도를 가진 물질의 개발이 뒷받침 돼야한다. 또한 물성의 변화가 필요한 시점이 되면 수축이나 변형이 가능해야 한다는 점도 생체 모방 로봇 개발의 전제 조건이었다.
MIT대 연구진이 개발한 신소재는 이 같은 조건을 일부 충족시키고 있다. 폴리우레탄 발포고무(Polyurethane Foam)와 왁스로 만들어진 이 로봇 소재는 딱딱한 상태와 부드러운 상태의 사이를 전환할 수 있다. 연구진의 설명에 따르면 뼈대 역할을 하는 발포 고무는 3D 프린터를 이용하고, 여기에 왁스로 코팅을 하는 단순한 방식을 통해 개발한 것으로 드러났다.
보통 로봇용 구성 재료라 하면 값비싼 물질을 떠올리기 쉽지만, 이 소재의 주요 성분인 폴리우레탄 발포고무와 왁스는 시중에서 쉽고 싸게 구할 수 있다. 즉, 저렴한 비용으로 고도의 효율성을 지닌 첨단 로봇을 생산할 수 있다는 의미다.
이번 연구의 책임자인 MIT대의 아네트 호소이(Anette Hosoi) 교수와 나디아 챙(Nadia Cheng)은 우선 이 신소재를 사용하여 격자 모양의 구조물을 만들었다. 이 구조물은 3D 프린터로 쉽게 성형할 수 있을 뿐 아니라, 열을 가하면 말랑말랑하게 비틀거나 쥐어 짤 수 있는 유연한 고무와 같은 물성을 가지고 있다.
그러나 열이 식은 상태에서는 단단하게 변하면서 상태를 유지하게 된다. 그렇기 때문에 필요에 따라서 단단하게 지탱할 수도 있고 부드럽게 변할 수도 있다는 것이 호소이 교수의 설명이다. 부드러워진 상태에서는 아무리 쥐어짜도 마치 스펀지처럼 다시 원래의 형태로 복원된다.
연구진은 다양한 실험을 통해 평소에는 딱딱한 고체 형태로 이루어져 있지만, 전류로 가열시키면 왁스가 녹으면서 부드럽고 유연성이 강조된 소재로 변신하는 상변이 현상을 확인했다. 그리고 다시 온도를 낮춰 냉각시키면 본래 고체 형태로 되돌아가는 특징도 검증했다.

생체 모방형 의료용 로봇 개발이 목표

이번 프로젝트는 미 국방고등연구계획국(DARPA)이 추진하고 있는 화학 로봇 프로그램의 일환으로 마련됐다. 연구진은 의료용 로봇을 만든다는 목적으로 DARPA의 지원을 받았다. 신체 내부로 침투하여 장기나 혈관 등을 탐사하면서, 상황에 따라 구부러지거나 모양을 바꿀 수 있는 생체 모방형 로봇이 개발 목표다.
이와 관련하여 호소이 교수는 “자유롭게 변신이 가능한 로봇을 만들 수 있는 유일한 방법은 소프트 상태와 하드 상태의 사이를 신속하게 전환할 수 있는 재료를 개발하는 것”이라고 정의하며 “만약 로봇이 문틈으로 들어가려면 부드러운 형태를 이루고 있어야 하고, 해머를 집거나 창문을 열기를 원한다면 단단한 상태로 존재하고 있어야 한다는 의미”라고 말했다.
자신의 상태를 소프트하게 전환할 수 있는 점 외에, 이 신소재의 특징을 들자면 모든 손상을 스스로 복구할 수 있다는 점이다. 다시 말해 자기 치유를 할 수 있다는 의미다.
연구진은 기존 로봇의 경우 임무 수행 중에 손상을 입게 되면 복구가 어렵지만, 이 소재를 이용했을 시에는 손상을 입는다 하더라도 열만 가해주면 자체적인 복구가 가능해지기 때문에 임무를 완수할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
개발과정 중에 있었던 어려움에 대해 챙 연구원은 “소재를 강한 압력에도 견딜 수 있도록 만드는 것”이었다고 밝히며 “기본 소재인 왁스코팅 만으로는 높은 압력을 견뎌내기가 무리였기 때문”이라고 설명했다.
그러면서 “충분한 강도를 가질 소재를 개발하기 위해서는 향후 자기유변유체(Magnetorheological Fluid)나 전기점성유체(Electrorheological Fluids)와 같은 소재를 적용해야 보다 효율적인 로봇개발이 가능할 것으로 생각된다”고 덧붙였다.
한편, 생체 모방 로봇의 소재에 적용되는 상변이 현상이 새로운 형태의 디스플레이 장치에도 활용될 것으로 보여 업계의 관심이 모아지고 있다. 영국 옥스퍼드대의 하리시 바스카란(Harish Bhaskaran) 교수와 연구진은 ‘게르마늄 안티모니 텔루륨(GST)’ 합금으로 다양한 색상을 표현할 수 있는 플렉서블 컬러디스플레이 장치 구현에 성공했다고 최근 발표했다.
게르마늄 안티모니 텔루륨 합금은 DVD와 CD 등의 저장용 기록매체에 사용되는 핵심소재로서, 특히 여러 번 반복해서 기록 할 수 있는 CD-RW나 DVD-RW에 주로 사용되고 있다
그런데 중요한 것은 이 합금이 전기적 자극을 가해 상변이 현상을 일으키는 특징이 있다는 것이다. 연구진은 이 소재의 독특한 성질을 이용해서 얇고 유연한 필름 형태로 장치를 제작했고, 다양한 색상을 표현하는데 성공했다.
게르마늄 안티모니 텔루륨 합금이 한번 상변이 현상을 일으키면, 그 상태를 그대로 유지하기 때문에 저장된 기록은 비휘발성(non-volatile) 상태가 된다. 더욱이 이러한 컬러 구현 방식은 일반 디스플레이 장치와 달리 에너지 소비도 매우 적다는 장점이 있다.
따라서 연구진은 이 기술이 앞으로 인공망막(artificial retinas)이나 반투명 스마트 유리, 그리고 콘텍트 렌즈 등에 활용될 있을 것으로 기대하고 있다.