로보틱스
‘Sticky Metal’이 로봇공학, 에너지 저장 및 바이오테크 솔루션에 광범위한 적용 가능성을 가질 수 있다
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
연성 로봇을 위한 스티키 메탈
로봇이 실제 환경에서 물체를 다루려면 단단한 기계 부품뿐 아니라 유연하고 부드러운 구조도 필요하다. 연성 소재와 단단한 부품을 연결하는 일은 중요한 개발 과제다.
이를 위해 여러 접근이 연구되고 있다. 자성 소재를 활용한 연성 로봇에 대해서는 “자성 젤 캡슐이 로봇공학과 의학을 발전시킬 수 있다”에서 소개했다.
또 다른 접근은 금속 같은 단단한 부품과 부드러운 소재를 결합하는 것이다. 서로 다른 기계적·화학적 특성 때문에 안정적인 계면을 만들기 어려울 수 있다.
미국 메릴랜드대학교의 Wenhao Xu, Faraz A. Burni, Srinivasa R. Raghavan은 일부 전도성 고체를 하이드로젤이나 생체 조직에 전기적으로 접착하는 방법을 연구했다. “접착성 금속”은 새로운 끈적한 합금이라기보다 이러한 접착 현상을 가리키는 표현이다.
스티키 메탈 작동 원리
연구진은 이 현상을 경질–연질 전기접착(EA)이라고 불렀다. 기존의 정전기적 전기접착과는 구분되는 전기화학적 결합 방식이며, 상세한 작동 조건은 계속 연구 중이다.
EA 특성을 보이는 금속은 일부에 한정됩니다
접착 여부는 금속과 젤의 종류 및 전기화학 반응에 따라 달라진다. 접착하는 금속은 모두 양의 표준 환원 전위, 접착하지 않는 금속은 모두 음의 값을 가진다고 단순하게 구분하면 부정확하다.
일부 조건에서는 양극 금속의 산화가 우세해 젤과의 접착을 만드는 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있다.
상대적으로 산화되기 어려운 전극에서는 젤의 고분자와 전극 사이 결합을 형성하는 반응이 진행될 수 있다. 반응 경로는 소재에 따라 다르다.
아크릴아마이드 젤의 비교 실험에서는 구리, 납, 주석이 접착한 반면 니켈, 철, 아연은 같은 조건에서 접착하지 않았다. 흑연도 활용할 수 있지만 금속이 아니라 탄소다. 이러한 결과가 모든 젤과 금속 조합에 그대로 적용되는 것은 아니다. 특히 납 같은 소재의 독성은 응용 선택에서 고려해야 한다.
작동 원리는 무엇인가요?
전도성 고체와 젤을 접촉시킨 뒤 직류 전기장을 가하면 조건에 따라 접착이 형성된다. 접착 후에는 전기장을 제거해도 결합이 유지될 수 있다.
연구진은 전극과 젤 고분자 사이의 전기화학적 반응으로 화학 결합이 형성된다고 설명한다. 결합의 성질은 소재 조합에 따라 달라질 수 있다.
많은 조합에서는 극성을 반대로 하여 전기장을 다시 가하면 접착을 해제할 수 있다. 모든 소재에서 동일하게 쉽게 가역적이라는 뜻은 아니다.
실험은 변화가 주로 전극과 젤의 접촉 계면에 국한된다는 해석을 뒷받침했다.
따라서 금속이나 흑연 및 연성 소재의 화학 조성에 따라 결합 종류와 강도가 달라질 수 있다.
스티키 메탈은 무엇에 접착할 수 있나요?
논문은 조성을 조절하며 비교하기 쉬운 여러 하이드로젤을 중심으로 접착을 연구했다.
과일과 동물 조직 등 수분과 이온을 포함하는 소재에서도 사례를 보였다. 이온 전도성은 중요한 조건이지만, 그것만으로 모든 생체 조직에 충분하고 안전한 접착이 보장되지는 않는다.
일부 조합에서는 수중 접착도 확인되었다. 물속에서는 일반 접착제의 사용이 어려울 수 있어 의미 있는 결과다.
스티키 메탈의 가능한 적용 분야
로봇 그리핑
가능한 응용 중 하나는 로봇 그리퍼다. 물체를 떨어뜨리거나 손상하지 않으면서 잡는 일은 특히 식품처럼 부드러운 대상에서 어렵다.
전기접착은 복잡한 손가락 관절 없이 물체를 붙잡는 새로운 설계를 가능하게 할 수 있다. 그러나 비용, 안전성과 효율이 기존 방식보다 우수한지는 실제 장치에서 평가해야 한다.
출처: Corteva
배터리
전기차와 재생에너지 확대는 다양한 배터리 기술의 수요를 높인다. 배터리는 서로 다른 두 전극과 이온을 전달하는 전해질을 이용하지만, 모든 전극이 금속이나 흑연으로만 구성되는 것은 아니다.
전해질은 액체, 젤 또는 고체일 수 있다. 현재 널리 쓰이는 배터리의 전해질이 모두 젤인 것은 아니다.
연구진은 전기접착으로 전극과 젤 전해질을 결합하는 간단한 전지 시제품도 만들었다.
구리와 아연 전극을 사용한 개념 증명 전지의 개방회로 전압은 약 0.9볼트였다. 이는 충전식 배터리의 성능이나 수명을 입증한 결과는 아니다.
이 실험은 초기 개념 증명이다. 유연하거나 충전 가능한 전지 제조에 응용할 가능성은 있지만, 용량, 효율, 반복 충방전과 안전성 등을 별도로 검증해야 한다.
연성 로봇공학
단단한 뼈와 부드러운 근육을 가진 생물처럼, 로봇에서도 서로 다른 기계적 특성을 가진 구조를 결합할 수 있다.
연구진은 흑연판과 하이드로젤 기둥을 접착해 하중을 지탱하는 단단함–부드러움 혼합 구조를 만들었다.
하중이 증가하면 구조가 변형되었고, 하중을 제거하면 젤 기둥이 원래 형태로 돌아가면서 윗판도 다시 올라갔다.
이 조합은 지지력과 탄성을 함께 제공했다. 단단한 소재도 조건에 따라 변형되며, 어떤 하중에서도 손상되지 않는다는 뜻은 아니다.
압축 후 복원되는 구조는 부드러운 상호작용을 위한 로봇 부품 연구에 활용될 수 있다. 외부 에너지로 구동하는 완성된 액추에이터가 이 실험만으로 입증된 것은 아니다.
수중 접착제
수분이 많은 환경에서는 물이 접착 계면을 방해할 수 있다. 이 연구에서는 접촉 계면에서 전기화학 반응을 일으켜 일부 소재를 수중에서도 접착했다. 따라서 물속에서 작동할 수 있지만 물이나 주변 화학 조건의 영향을 전혀 받지 않는다고 할 수는 없다.
보철물 및 임플란트
의료용 임플란트나 보철물과 연성 조직을 연결하는 것도 잠재적 응용이다. 금속의 생체 적합성과 조직 손상, 접착 강도는 중요한 검증 항목이다.
안전하고 오래 유지되는 접착을 구현한다면 보철물이나 임플란트의 고정 방식을 개선할 수 있다. 그러나 현재 결과가 사람에서의 효과나 삶의 질 개선을 입증한 것은 아니다.
이미지 제공 RAEng_Publications 출처 Pixabay
전기적으로 접착을 해제할 수 있다는 특성은 제거·교체에 유용할 가능성이 있다. 인체 적용에서는 전압, 전류, 전극 반응과 조직 안전성을 먼저 평가해야 한다.
스티키 메탈의 고급 적용
경질–연질 전기접착은 새로운 혼합 소재와 구조를 만드는 유망한 연구 방향이다.
여러 이온성 젤과 조직, 구리·주석·흑연 등에서 결과가 보고되었다. 저렴한 원료를 사용할 수 있어도 장비, 공정, 내구성과 안전성까지 포함한 산업적 경제성은 별도 문제다.
식품을 다루는 그리퍼와 단단한 골격·연성 부품을 결합한 로봇은 가능한 응용이다. 실제 로봇에 적용하려면 반복 작동과 오염, 세척 등 조건에서 성능을 확인해야 한다.
보철과 임플란트에서도 연구 가치가 있지만, 사람에게 사용하는 기술로 발전하려면 생체 적합성과 임상 안전성 검증이 필요하다.
그 밖에 젤 전해질 전지, 수중 접착과 가역적 접합 등으로 확장할 가능성이 있다. 모두 초기 연구 결과에서 출발하는 개발 과제다.
