KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 모터 없이도 1초 이내에 형태를 바꾸고 다시 원래 상태로 돌아오는 형상기억 기반 스마트 액추에이터를 개발했다고 22일 밝혔다.

이번 기술은 열 자극만으로 스스로 움직이는 ‘양방향 형상기억’ 구동을 구현한 것이 특징이다. 기존 모터 기반 시스템이 가진 무게와 구조 복잡성 문제를 줄일 수 있어 로봇 팔과 우주 구조물 등에 적용 가능성이 크다.

연구팀은 형상기억합금과 형상기억고분자를 결합한 하이브리드 복합재 구조를 설계했다. 형상기억합금은 열을 가하면 원래 형태로 돌아가는 금속이고, 형상기억고분자는 외부 자극에 따라 형태가 변하는 소재다.

기존 형상기억 소재는 변형 후 복원이 어렵거나 속도가 느린 한계가 있었다. 연구팀은 고분자 화학 조성을 조절하고 탄소섬유로 보강해 강도를 높였으며, ‘테이프 스프링’ 구조를 적용해 에너지를 저장·방출하는 스냅-스루 현상을 구현했다.

그 결과 액추에이터는 열을 가하면 굽혀지고 온도가 내려가면 다시 펴지는 완전한 양방향 구동을 구현했다. 변형 속도는 1초 이내로 단축됐고, 초기 형상 복원률도 100%에 가깝게 나타났다. 반복 구동에서도 안정적인 성능을 유지했다.

이번 기술은 별도의 복잡한 제어 장치 없이도 빠르고 정확한 구동이 가능해 형상기억 소재 기반 로봇 구동 기술의 실용성을 높인 성과로 평가된다.

김성수 교수는 “소재와 구조 설계를 결합해 형상기억 액추에이터의 성능을 크게 끌어올렸다”며 “로봇 손 그리퍼와 우주 전개 구조물 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘어드벤스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 게재됐으며 표지 논문으로 선정됐다.