형상기억합금 인공근육의 원리

형상기억합금은 힘을 가해 모양을 바꿔도 일정 온도 이상으로 가열하면 원래 형태로 되돌아가는 금속입니다. 니켈과 티타늄의 합금인 니티놀(NiTi)이 가장 널리 쓰입니다.

의료용 스텐트나 안경테처럼 이미 일상에서 쓰이는 소재이기도 합니다. 인공근육으로 쓰는 것은 이 '되돌아가는 힘'을 동력으로 삼는 응용입니다.

형상기억합금의 되돌아가는 성질은 결정 구조가 온도에 따라 바뀌는 상변태에서 나옵니다. 낮은 온도에서는 쉽게 변형되는 구조를, 높은 온도에서는 원래 형태를 기억하는 구조를 가집니다.

온도를 올리는 방법으로 전류를 씁니다. 금속에 전류를 흘리면 저항 때문에 열이 발생하고, 그 열로 상변태가 일어나면서 수축합니다. 전류를 끊으면 주변으로 열이 빠져나가며 원래 길이로 돌아옵니다.

수축과 이완이 반복된다는 점에서 근육의 동작과 닮았습니다. 힘을 내는 방식이 근육과 같다는 뜻은 아니지만, 전기 신호로 수축을 제어할 수 있다는 점이 인공근육으로 쓰이는 이유입니다.

형상기억합금 구동기의 대표적인 과제는 세 가지입니다. 구동 중 발열, 식는 데 걸리는 시간에서 오는 응답 속도, 그리고 반복 사용에 따른 수명입니다.

응답 속도는 와이어를 가늘게 만들수록 유리해집니다. 표면적 대비 부피가 줄어 열이 빠르게 오르내리기 때문입니다. 근육옷감은 직경 25~40μm 수준의 가는 와이어를 사용해 이 부분을 개선했습니다.

냉각 구조를 함께 설계하는 접근도 연구되어 왔습니다. 발열은 완전히 없앨 수 있는 성질이 아니므로, 제품에서는 의복부가 피부와 구동기 사이를 차단하도록 설계합니다.

공압 인공근육(PAM)은 공기압으로 부풀어 수축합니다. 힘과 속도에서 유리하지만 펌프·밸브·공기 라인이 함께 필요해 전체 시스템이 커집니다.

유전탄성체(DEA)는 전압을 걸면 얇아지며 늘어나는 고분자입니다. 반응이 빠르고 가볍지만 수 킬로볼트 수준의 높은 전압이 필요합니다. 이온성 고분자(IPMC)는 낮은 전압으로 구동되지만 낼 수 있는 힘이 작습니다.

형상기억합금은 구조가 단순하고 낮은 전압으로 큰 힘을 낼 수 있는 대신, 열을 매개로 하기 때문에 냉각 시간이 응답 속도를 좌우합니다. 각 방식은 우열이 아니라 서로 다른 조건에 맞습니다.

웨어러블 로봇이 가장 활발한 응용 분야입니다. 가볍고 부드러운 구동이 필요하며, 사람 몸에 닿는 조건에서 소음과 부피가 문제가 되기 때문입니다.

그 밖에 소프트 로봇, 의료기기, 촉감을 전달하는 햅틱 장치에서도 연구가 이어지고 있습니다. 공통점은 딱딱한 기구부를 쓰기 어려운 환경이라는 점입니다.