소프트 광결정 로봇으로 인체에 유해한 메탄올 검출하는 센서 개발

- 주변 환경의 변화에 따라 색깔 신호 변해

야누스 (Janus) 구조를 가지는 소프트 로봇을 제조하고, 메탄올 검출 스마트 센서로 개발하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사, 탄소융합소재연구센터 전승렬 박사, 전북대학교(JBNU) 고분자나노공학과 정광운 교수 연구팀이 주변 환경에 반응해 자유롭게 움직이는 소프트 로봇을 개발했다고 밝혔다.

메탄올은 과다 섭취 시 인체에 두통, 구토, 어지러움, 시력장애 등 치명적인 영향을 미칠 수 있으나 에탄올보다 값이 70% 이상 저렴해 코로나19 이후 오남용 피해사례가 증가하고 있다.

먼저 연구팀은 문어와 같은 연체동물의 자유로운 움직임에 착안해 소프트 로봇의 움직임을 치밀한 컴퓨팅으로 제어하기보다 주변 환경에 자동적으로 반응하도록 맡겨두는 방식을 채택했다. 

즉, 유연하지만 팽창되는 능력이 서로 다른 두 종류의 고분자 필름을 패터닝해 주변 환경에 따라 소프트 로봇이 자연스럽게 원하는 방향으로 굽힘, 접힘, 비틀림과 같은 움직임을 갖도록 한 셈이다. 

또한, 나비와 같은 곤충에게서 볼 수 있는 나선형 나노 구조를 소프트 로봇에 도입해 다양한 색깔의 빛을 선택적으로 반사하는 광결정 특성을 보이게 하였다. 

이를 통해 주변 환경이 변화하여 소프트 로봇이 움직임을 가지게 되면 색깔 변화를 통해 사용자가 쉽게 이를 인지할 수 있다.

한승희 인턴 연구원(제1저자)은 개발한 소프트 광결정 로봇을 응용해 물이 메탄올에 오염됐는지 쉽고 빠르게 알아낼 수 있는 센서를 개발했다. 

소프트 광결정 로봇을 이용한 메탄올 검출 센서는 수십 회 이상 재사용이 가능하므로 경제적이며, 소프트 광결정 로봇을 이용한 메탄올 검출 센서는 전기와 같은 에너지가 필요하지 않아 언제 어디서나 간편하게 메탄올에 오염된 물을 검출할 수 있다. 

더욱이 소프트 로봇의 나선형 나노 구조로부터 나오는 원형 편광 특성은 위변조가 까다로워 제품의 신뢰성을 확보하는 데에도 굉장히 효과적이다.

KIST 김대윤 박사는 “이번 연구는 기술적으로 초기 단계에 있는 소프트 로봇을 일상에 도움이 될 수 있도록 구현한 데 그 의의가 있다”라며, “향후 다양한 외부 자극에 동시에 즉각적으로 반응할 수 있는 다중 자극 반응형 소재가 개발된다면 소프트 로봇이 폭 넓게 상용화될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 KIST의 K-Lab 프로그램과 NRF의 우수신진연구 프로그램의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 4.658%)에 게재됐고, 표지 논문을 장식함과 동시에 로봇 공학 분야 Hot Topic에 선정됐다.