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하버드 대학 연구진이 부드러운 필라멘트를 3D 프린팅하는 기술을 개발하여 열에 반응하여 구부러지거나, 비틀리거나, 확장하거나 수축할 수 있는 인공 근육을 만들어냈다. 이번 연구는 하버드 대학교의 생체 모방 공학 분야의 제니퍼 루이스 교수 연구진이 진행했으며, 연구 결과는 미국 국립과학원 회보에 게재되었다.
이 방식은 회전식 다중 소재 3D 프린팅으로 불리며, 두 가지 재료를 회전하는 노즐을 통해 나란히 압출하여 작동한다. '활성' 액정 변성 탄성체는 특정 온도 이상에서 축 수축되는 특징이 있으며, '수동' 탄성체는 온도 변화와 관계없이 형태를 유지한다. 이러한 구조로 인해 한쪽은 수축하고 다른 쪽은 저항하면서 간단한 쌍층 필라멘트가 구부러지게 된다. 노즐 회전 시 필라멘트에 나선형 분자 배열이 적용되어, 연구자들이 활성화 시 어떤 형태로 변형될지를 사전에 프로그래밍할 수 있다. 별도의 후처리가 필요 없다.
연구팀은 이미 지름 약 100 마이크론 크기의 필라멘트를 프린팅하는 데 성공하였다. 연구의 제1 저자 무스타파 아브델라만 박사후연구원은 “회전 3D 프린팅 플랫폼을 보고, ‘능동적인 재료를 필라멘트에 패턴으로 넣어 형태 변화를 유도할 수 있을까?’라는 생각이 들었다”고 말했다.
개별 필라멘트를 구성요소로 사용하여 연구진은 열을 통해 입자를 통과시키거나 잡을 수 있는 온도 조절 필터 역할을 할 수 있는 평면 격자를 만들었다. 열을 가하면 격자가 열리고, 냉각하면 수축하여 입자를 잡는다. 또 다른 실험에서는 상반되는 확장 및 수축 영역이 있는 격자가 오일을 가열했을 때 돔 모양으로 변하며, 이는 시뮬레이션에서 예측한 형태와 일치했다.
연구팀의 대학원생 잭슨 윌트는 향후 프로그램의 확장 가능성에 대해 “다양한 소재와 통합할 수 있는 더 복잡한 노즐을 개발할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이 작업은 자연 구조의 역학을 연구하는 랄프 마하데반 교수와, 브룩헤이븐 국립 연구소의 X-선 산란 기법을 활용해 액정 변성 탄성체의 분자 배열을 특성화한 조안나 아이젠버그 교수의 공동 연구로 검증되었다. 루이스 교수는 “이 필라멘트 설계와 프린팅 프레임워크는 인공 근육과 유사한 재료의 실용화 속도를 가속화할 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구의 잠재적 응용 분야에는 다수의 물체를 동시에 조작할 수 있는 부드러운 로봇 그리퍼, 온도로 흐름 경로를 조절할 수 있는 활성 밸브, 모세혈관 응고에 신속히 사용될 수 있는 다공성 구조체를 형성하는 주입형 필라멘트 등이 포함된다. 하버드 기술 개발 사무소는 이미 이 연구를 보호하고 상용화를 추진 중이며, NSF와 하버드 MRSEC 및 ARO MURI 프로그램의 연방 자금이 연구를 지원했다.
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