인쇄된 액정 엘라스토머의 감광성 형태 변형(제공: 로렌스 리버모어 국립 연구소)

로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 연구원들은 빛에 반응하여 모양을 바꿀 수 있는 향상된 새로운 유형의 부드러운 소재를 개발했다. 로봇공학부터 의학까지 다양한 분야를 위한 '소프트 머신'을 만들 수 있다.

액정 및 3D프린팅

새로운 액정 엘라스토머(LCE) 소재는 신축성 있는 소재의 분자 구조에 액정을 통합하여 만들어진다.

과학자와 엔지니어들은 LCE 재료에 금 나노막대를 추가하여 재료에 국부적인 가열을 일으키는 레이저에 노출되면 구부리고 기어가고 움직일 수 있는 광반응 잉크와 3D프린팅 구조를 만들었다.

이번 연구 결과는 최근 Matter 저널에 온라인으로 게재되었다.

논문에 설명된 대로 LLNL 팀은 하버드 대학, 노스캐롤라이나 주립 대학, 펜실베니아 대학의 공동 작업자와 함께 직접 잉크 쓰기 인쇄 기술을 사용하여 다양한 빛에 반응하는 물체를 만들었다. 여기에는 구를 수 있는 실린더, 앞으로 나아갈 수 있는 비대칭 "크롤러", 진동하는 격자 구조가 포함된다.

계층적 격자

형태 변형과 감광성을 결합함으로써 새로운 소재는 사람들이 기계와 소재에 대해 생각하는 방식을 바꿀 수 있다.

“LLNL에서는 한동안 정적 재료와 아키텍처 개발에 중점을 두었다.”라고 수석 조사관인 케이틀린 크리코리안 쿡(Caitlyn Krikorian Cook)이 말했다. “우리는 계층적 격자와 같은 복잡한 유형의 구조를 만들었으며 일회성 형상 기억 반응을 갖는 형상 기억 폴리머와 같이 보다 반응성이 뛰어난 재료를 탐색하기 시작했다.”

소프트 머신

연구원들은 이 새로운 물질이 외부 자극에 반응하고 살아있는 유기체의 움직임과 행동을 모방할 수 있는 유연한 LCE 복합 재료로 만들어진 "소프트 머신"을 만드는 데 사용될 수 있다고 말했다.

형태 변형 소재로 만들어진 소프트 로봇은 기어 다니고, 헤엄치고, 날 수 있고, 동굴이나 우주 공간처럼 인간이 접근하기 너무 어렵거나 위험한 환경을 탐색할 수 있다.

소프트 머신은 신체의 움직임에 적응할 수 있는 이식형 장치나 자연 팔다리처럼 움직이는 보철 팔다리와 같은 의료 응용 분야 및 금속이나 플라스틱과 같은 단단한 재료로 만든 기계로는 불가능한 기타 응용 분야에도 사용될 수 있다.

"견고한 로봇은 인간이 상호 작용하기에 이상적이지 않을 수 있으므로 보다 규정을 준수하는 시스템과 재료가 필요하다."라고 카네기 멜론 대학의 박사후 연구원이자 논문의 주요 저자인 마이클 포드(Michael Ford)가 말했다.

“로봇을 구성하는 구성 요소부터 시작하는데, 그 구성 요소 중 하나가 액추에이터이다. 이것이 바로 이러한 자료가 들어오는 곳이다. 그들은 잠재적으로 액츄에이터가 될 수 있다. 계산 복잡성을 줄인다. 온보드 전자 장치를 제거하고 이러한 모든 작업을 수행할 수 있는 단일 재료로 대체하는 재료를 만들고 있다. 이를 통해 기존의 견고한 재료로는 불가능했던 다른 구성 요소에 더 많은 계산 복잡성을 추가하거나 다른 센서에 전력을 공급할 수 있다.”

광열 작동

연구원들은 LCE 물질의 움직임은 주로 빛 에너지를 열 에너지로 변환하여 물질로부터 기계적인 반응을 일으키는 광열 작동으로 알려진 과정에 의해 구동된다고 말했다.

빛, 금 나노 막대 및 LCE 매트릭스 사이의 상호 작용에 의해 구동되는 이 프로세스를 통해 인쇄된 구조는 외부 자극에 반응하여 역동적이고 가역적인 움직임을 나타낼 수 있다.

이 연구에서 연구자들은 인쇄된 실린더의 움직임을 제어하기 위해 카메라와 추적 소프트웨어가 포함된 컴퓨터 비전 시스템을 사용했다.

추적 시스템은 롤링 실린더의 위치를 모니터링하고 레이저의 위치를 지속적으로 조정하여 실린더 가장자리를 래스터화했다. 이러한 지속적인 추적 및 조정을 통해 실린더는 제어된 방식으로 롤링 동작을 유지할 수 있었다.

연구원들은 실린더의 광열 작동과 컴퓨터 비전을 활용하여 소프트 머신의 움직임을 정교한 수준으로 조작하여 소프트 로봇 공학 및 소프트 머신 분야에서 고급 제어 시스템의 잠재력을 보여주었다.

또한 팀은 응답성을 제어하여 소프트 머신이 와이어를 운반하는 움직이는 실린더와 같은 유용한 작업을 수행할 수 있음을 보여주었다.

공동 저자인 일레인 리(Elaine Lee)는 “[주저자 포드]는 컴퓨터 비전을 사용하여 인쇄된 실린더의 운동을 제어하고 래스터링 레이저를 사용하여 강제로 움직이게 하는 놀라운 작업을 수행했다.”라고 말했다.

  “그러나 일단 인쇄된 격자에 다양한 래스터링 속도와 빛 강도를 사용하여 다양한 모드로 움직이게 하는 등 훨씬 더 복잡한 동작을 시작하면 된다.”

이는 실제로 HPC(고성능 컴퓨팅) 시뮬레이션이 예측할 수 있는 범위를 벗어났다. 왜냐하면 이러한 코드는 해당 격자에서 균일한 가열이나 자극을 기대하고 있기 때문이다.

따라서 컴퓨터 비전과 기계 학습을 사용하여 작동 속도와 인쇄된 아키텍처에서 이동을 유발할 수 있는 빛의 양을 학습하면 재료가 어떻게 반응하는지 이해하는 데 훨씬 더 많은 도움이 될 것이다.”

새로운 제어 시스템과 컴퓨터 알고리즘은 또한 소프트 머신이 보다 지능적이고 자율적인 방식으로 주변 환경을 움직이고 상호 작용할 수 있게 해줄 수 있다고 말했다.

지각 있는 재료

쿡은 팀이 열 및 빛 자극을 넘어 습도, 에너지 흡수 및 재료가 우주에서 경험할 수 있는 조건과 같은 영역에 다양한 유형의 자극에 대한 반응을 통합하는 방법을 모색하고 있다고 말했다.

팀은 자율 재료에 초점을 맞추고 감지하고, 반응하고, 프로그래밍하고, 학습하고, 결정하고, 의사소통 할 수 있는 지각 있는 재료를 향해 "바늘을 움직이기" 위해 연구소에서 새로운 전략적 이니셔티브를 시작하는 것을 고려하고 있다."

“이러한 액정 엘라스토머는 반응형 소재이다. 자극을 감지하고 반응할 수 있으며 매번 반복적으로 반응한다. 하지만 기억력이나 반복되는 자극을 학습하고 그에 따라 반응하는 방법이 없다. 이것이 실제로 우리가 노력하고 있는 재료이며, 이는 5년에서 10년 정도의 노력이 필요할 수 있다.”

연구 자금은 LDRD(실험실 지도 연구 개발) 프로젝트인 "반응성 탄성체 구조의 형태 변화"와 국립과학재단(National Science Foundation)의 보조금에서 나왔다.