국립부경대, 빛으로 구동하는 마이크로니들 소프트 로봇 개발…미래형 스마트 축산 기술 제시

[시사매거진 김정임 기자] 국립부경대학교 연구진이 빛을 이용해 마이크로니들을 피부에 정밀하게 삽입할 수 있는 소프트 로봇 기술을 개발하며 스마트 축산과 원격 의료기기 분야의 활용 가능성을 제시했다.

국립부경대에 따르면 고분자공학전공 김대석 교수와 이채원 석사과정생, 휴먼바이오융합전공 박승현 교수와 김난경 석·박사통합과정생으로 구성된 공동연구팀은 빛에 반응하는 액정 엘라스토머(LCE)와 자석, 스냅스루(snap-through) 구조를 결합한 고출력 원격 마이크로니들 구동 시스템을 개발했다고 밝혔다.

액정 엘라스토머는 고무처럼 유연하면서도 빛이나 열 등 외부 자극을 받으면 형태가 변하는 소재로 소프트 로봇과 인공근육 분야의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존 기술은 변형 속도가 느리고 순간적으로 큰 힘을 내기 어려워 실제 응용에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 에너지가 일정 수준 이상 축적되면 구조가 순간적으로 반전되는 스냅스루 현상을 적용했다. 활처럼 휘어진 아치 형태의 아조벤젠 기반 액정 엘라스토머에 자외선을 조사하면 내부 분자 배열이 변하면서 탄성에너지가 축적되고, 임계점에 도달하는 순간 구조가 빠르게 뒤집히며 강한 운동 에너지를 만들어내는 방식이다.

여기에 영구자석을 결합해 스냅스루가 발생하는 문턱을 낮추고 저장된 에너지가 더욱 빠르게 방출되도록 설계했다. 그 결과 최대 구동 속도는 초당 약 140㎜에서 약 332㎜로 향상됐으며, 최대 구동력은 약 14.6배 증가했다.

연구팀은 개발한 액추에이터에 고분자 마이크로니들을 적용해 피부 삽입 성능도 검증했다. 빛을 조사하면 아치 구조가 순간적으로 아래 방향으로 반전되면서 마이크로니들에 강한 충격을 전달하는 원리다.

실험에서는 피부를 모사한 젤라틴 구조물과 실제 돼지 피부 조직 모두에서 마이크로니들이 성공적으로 삽입되는 결과를 확인했다. 돼지 피부에서는 평균 약 364㎛ 깊이까지 삽입됐으며, 약물을 모사한 형광 물질이 삽입 부위 주변으로 전달되는 것도 확인됐다. 또 마이크로니들의 길이와 배열 개수를 조절해 삽입 깊이와 물질 확산 범위를 조절할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 기술이 가축의 건강 상태를 단순히 감지하는 수준을 넘어 필요한 시점에 실제 처치까지 수행하는 스마트 축산 시스템 구현 가능성을 보여준다고 설명했다. 향후 재사용 가능한 액정 엘라스토머·자석 모듈과 교체형 마이크로니들 카트리지를 결합하면 자동화된 정밀 처치 시스템으로 발전할 수 있을 것으로 기대했다.

김대석 교수는 "이번 연구는 빛에 의해 발생하는 분자 수준의 작은 변형을 스냅스루 구조와 자기력을 활용해 강한 기계적 충격으로 증폭한 것이 핵심"이라며 "스마트 축산은 물론 웨어러블 의료기기, 바이오인터페이스, 소프트 로봇 등 정밀한 원격 제어가 필요한 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과를 담은 논문 'Snap-Through–Driven Liquid Crystal Elastomers for High-Power Remote Microneedle Actuation toward Smart Livestock Systems'는 재료과학 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 8월 7일 온라인 게재됐다.