로보틱스
초음파 근육: 연성 로봇공학의 미래
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음향 제어 근육 구축
대부분의 역사 동안, 기계적 에너지는 인간이든 동물이든 근육에 의해 제공되었습니다. 산업혁명이 시작되면서 비로소 풍력(풍차), 수력(수차와 댐), 연소(증기 기관, 내연 기관)와 같은 에너지를 수확할 수 있게 되었습니다.
하지만 이러한 기계 시스템은 자연스러운 움직임에 비해 항상 다소 열등했으며, 비교적 제한된 자유도를 달성하기 위해 복잡한 시스템과 유지보수가 필요했습니다.
이는 여전히 로봇에게 문제이며, 로봇은 서 있기 위해 매우 복잡한 전기 모터 배열과 고급 소프트웨어가 필요합니다. 일반적으로 완전히 제어 가능하고 충분히 유연한 움직임을 만드는 것이 과제입니다.
따라서 근육이 움직임을 생성하는 탁월한 방법인 만큼, 과학자들은 전기로 구동될 수 있는 인공 근육 변형을 만들기 위해 연구해 왔습니다. 그러나 지금까지 제안된 재료들은 성능, 비용 또는 제조 방법 면에서 항상 부족했습니다.
이러한 상황은 스위스 ETH 취리히, 독일 뮌스터 대학교, 미국 네브래스카-링컨 대학교 연구진이 제안한 새로운 인공 근육 설계 덕분에 변할 수 있습니다.
그들은 권위 있는 과학 저널 Nature1에 “초음파 구동 프로그래머블 인공 근육“이라는 제목으로 발표했습니다.
초음파 구동 근육의 작동 원리
근육은 근육의 길이를 늘리거나 줄여, 부착된 뼈를 당기는 방식으로 작동합니다.
지금까지 인공 근육은 다양한 종류의 재료를 사용해 이 아이디어를 재현하려고 시도했습니다:
- 탄소 나노튜브
- 형상 기억 합금
- 공압(공기) 또는 유압 시스템
이러한 시스템은 신뢰성 부족, 정밀 제어 미흡, 에너지 소비, 혹은 비용 과다 등의 문제를 겪었습니다.
“화학적 방법은 종종 독성이 있을 수 있는 연료를 필요로 하고, 광 기반 시스템은 조직 침투가 제한적이며 열 손상의 위험이 있으며, 자기 시스템은 부피가 큰 하드웨어가 필요하고 줄열 가열 위험이 있습니다.”
이 연구의 연구자들은 인공 근육을 제어하기 위해 새로운 방향, 즉 소리를 이용하는 방법을 탐구했습니다:
초음파의 장점
로봇공학이나 생체 이식 분야의 적용 여부와 관계없이, 초음파는 손쉽게 생성할 수 있는 비파괴적인 제어 방법이라는 장점을 가지고 있습니다.
초음파는 무선이며 원격으로 작동하고, 외부 층(유기 조직 포함)을 무해하게 통과하며 높은 공간 선택성(정밀 조준)을 가집니다.
또한 임상 환경에서도 저비용으로 흔히 사용되는 기술입니다.
따라서 전반적으로 초음파는 생의학 및 인체 내 적용에 최적이며, 로봇공학, 특히 소프트 로봇공학과 같은 다른 분야에도 활용될 수 있습니다.
초음파는 연구자들 사이에서 점점 인기를 얻고 있으며, 이들은 초음파를 이용해 의료 이식체를 무선으로 전원 공급, 생체 조직을 바이오프린팅, 그리고 생체 모니터링에 활용하고 있습니다.
인공 근육의 마이크로버블 재료
이 연구에서 연구진은 정밀하게 제작된 마이크로버블 배열을 포함하는 재료를 만들었으며, 해당 마이크로버블이 적절한 초음파 공명에 노출되면 재료가 휘어집니다.
출처: Nature
마이크로버블 배열의 크기를 조절하면 재료의 특정 구역이 반응하는 초음파 주파수를 변경할 수 있습니다.
출처: Nature
지금까지 인공 근육에서 초음파에 의해 생성된 힘은 실용적인 적용에 충분히 강하지 않았습니다. 그러나 이 새로운 설계는 훨씬 더 강력합니다(7.6 μN/mm2), 이 개념을 인공 근육 재료의 잠재력 최전선에 올려놓습니다.
고해상도 몰드는 소프트 리소그래피를 이용해 실리콘 웨이퍼에 마이크로필러 배열을 패턴화하여 원통형 마이크로공극의 음성 몰드로 사용되었습니다.
그 후 얇은 폴리디메틸실록산(PDMS) 층을 웨이퍼에 스핀코팅하여 원하는 마이크로버블 재료를 만들었습니다.
최종 재료는 인공 근육(3 cm × 0.5 cm × 80 μm)을 형성했으며, 이 안에는 10,000개 이상의 균일한 마이크로버블이 (직경 40 μm, 깊이 50 μm) 포함되어 있습니다.
초음파를 이용한 제어된 움직임 생성
재료의 서로 다른 부분이 서로 다른 주파수에 반응하기 때문에, 초음파를 변조하여 정밀하게 제어된 물결 움직임을 만들 수 있습니다. 연구진은 또한 이 재료를 사용해 물고기 유생을 포획하고, 아몬드를 회전시키며, 풀잎을 움직이는 등 실제 세계와의 상호작용을 테스트했습니다. 이 방법은 살아있는 유기체에 해가 없으며, 초음파에 의한 가열이나 부정적인 효과가 없음을 입증했습니다.
연구진은 이어서 이 재료가 유기 조직에 부착되어 움직일 수 있는지를 테스트했습니다. 이를 위해 돼지 심장에 적용해 보았습니다. 초음파 제어 액추에이터는 부착된 상태를 유지하며 움직였고, 힘을 조직에 전달했습니다.
출처: Nature
그들은 또한 초음파를 트리거로 사용해 마이크로버블 패치에서 물질을 방출하도록 하여, 약물 전달에 대한 재료의 잠재력을 테스트했습니다.
인체 내 로봇 이동
마지막으로, 연구팀은 물 환경에서 물결 움직임으로 이동을 제어할 수 있는 ‘미니 가오리 로봇’을 만들었습니다.
출처: Nature
그들은 가오리 로봇을 돼지의 위와 장 안으로 이동시키는 실험에 성공했습니다.
방출될 때, 가오리 로봇은 초당 약 0.8배 몸길이의 초기 속도로 전진하며, 시스템이 동물 내부 장기 내에서 이동할 수 있음을 보여주었습니다.
출처: Nature
전체적으로, 이러한 실험은 무선 및 착용형 장치의 인체 내 사용에 대한 재료의 잠재력을 확인시켰습니다.
응용 분야
이 연구는 잠재적인 생의학적 응용에 초점을 맞추었으며, 이는 이 기술의 가장 직접적인 적용이 될 수 있습니다. 소프트 로봇공학은 점점 더 의학에 사용되는 재료를 통합하는 데 활용되고 있으며, 예를 들어 적절한 장기에 항암제나 기타 치료제를 전달하는 데 사용됩니다.
이 방법은 최소 센티미터 규모까지 더 큰 부품으로 확장될 수 있으며, 다수의 자유도 움직임을 가질 수 있습니다.
따라서 향후 이러한 인공 근육은 로봇공학, 유연 전자기기, 착용 기술, 보철, 생의학 계측 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
추가적인 개선을 통해 이 개념을 더욱 강력하고 유용하게 만들 수 있습니다:
- 수렴형 사다리꼴 공동은 발산형 형태보다 약 3배 강한 흐름 속도를 생성하는 것으로 보이며, 따라서 기하학적 및 밀도 최적화를 통해 맞춤형 변형 프로파일을 가진 액추에이터를 만들 수 있습니다.
- 공초점 음원은 더 강한 변형과 인공 근육의 특정 부위에 대한 보다 정밀한 타깃팅을 달성할 수 있습니다.
- 하이드로젤 및 생분해성 폴리머도 더 많은 생의학적 응용에 사용할 수 있습니다.
스와이프하여 스크롤 →
| 응용 분야 | 사용 사례 예시 | 채택 잠재력 |
|---|---|---|
| 소프트 로봇공학 | 유연한 그리퍼 및 보행 로봇 | 높음 |
| 생체 의료 이식 | 내부 조직을 위한 무선 구동 | 매우 높음 |
| 약물 전달 | 초음파 트리거 방출 메커니즘 | 높음 |
| 착용형 장치 | 스마트 패치 및 햅틱 피드백 시스템 | 중간 |
| 보철 | 실제와 같은 움직임을 위한 인공 근육 통합 | 높음 |
헬스테크 투자
PHG 가격 차트
Philips는 면도기, 전동 칫솔 등 소형 전자 소비재로 잘 알려진 브랜드이며, 헬스케어 분야에서도 활발히 활동하고 있습니다. 예를 들어, 2022년 유럽에서 MedTech 특허 출원 1위를 차지했으며 이후 몇 년간 상위 3위 안에 들었습니다.
웨어러블부터 영상, 인공호흡기, 의료 로봇에 이르는 연결된 의료 제품에 적극적으로 참여하고 있습니다.
또한 반도체(마그레브 기술 포함)와 하이테크/로봇공학/자동화 분야에서도 활발히 활동하고 있으며, 모든 활동이 공통의 기술 기반을 공유합니다.
출처: Philips
Philips는 심장, 호흡 및 활동 지표를 위한 웨어러블을 제공하며, 그 센서는 스마트워치, 건강 모니터, 의료 패치 및 활동 추적기에 통합될 수 있습니다.
생체 적합 센서, 반도체 및 무선 솔루션에 대한 Philips의 전문성은 초음파를 활용한 첨단 의료 이식체 분야에서 선두주자가 될 수 있습니다.
의료 기기 분야에서 Philips는 파트너십 솔루션을 선호하며, 타사와 협력해 Philips의 다른 솔루션과 완전히 호환되는 연결된 IoT 의료 기기를 개발합니다. 이러한 맥락에서 프로토타이핑, 규제 자문, 엔드투엔드 제품 개발 및 대량 생산을 고객에게 제공합니다.
이로 인해 Philips는 기술 중심 기업이며 기존 의료 기기에 새로운 혁신을 빠르게 통합할 수 있는 유력한 후보가 됩니다. 전체적으로 Philips의 기기는 18억 명 이상의 사람들에게 직접적인 영향을 미쳤습니다.
회사는 센서와 기기가 일치하는 완전 통합 디지털 헬스케어 환경을 구축하고, 다중 연결 솔루션을 활용해 Philips HealthSuite Cloud 솔루션에 통합하여 심층 데이터 분석을 가능하게 하기를 원합니다.
출처: Philips
MedTech 산업 공급업체로서, 종종 다른 브랜드를 위해 제조하지만, Philips는 다른 더 유명한 기업에 비해 업계에서 눈에 덜 띕니다. 그러나 고성능 전자 기기와 센서를 구축하는 전문가로서, 헬스케어와 웨어러블 분야에서 가능한 한계를 지속적으로 확장하고 있습니다.
웨어러블 및 의료 전자기기가 점점 더 헬스케어와 의료 프로토콜에 통합됨에 따라, Philips의 헬스케어 부문은 대기업의 일원으로서 성장할 가능성이 높습니다.
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참조 연구
1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. 초음파 구동 프로그래머블 인공 근육. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3
