이 인공 근육은 스스로 물건을 움직입니다

May 08, 2023

맥스 G. 레비

식료품점의 농산물 코너에서 오이는 평범합니다. 그러나 철물점 묘목 코너에서는 오이 식물이 정말 경이롭다고 Shazed Aziz는 말합니다.

몇 년 전, Aziz는 호주의 하드웨어 체인인 Bunnings Warehouse를 거쳐 특정 오이 식물을 향해 직행했습니다. 그 전날, 그는 독특한 덩굴손, 즉 다양한 크기의 코일 모양으로 식물에서 튀어나온 얇은 줄기와 오이 덩굴이 표면을 향해 뻗어 더 많은 햇빛을 받기 위해 몸을 끌어올리는 데 사용하는 덩굴손을 발견했습니다. 처음 방문했을 때 나선형 모양의 컬은 길고 느슨했습니다. 퀸즈랜드 대학의 재료 공학 박사후 과정 연구원인 Aziz는 "다음 날 매장을 방문했을 때 계약이 체결되어 있었습니다."라고 말했습니다.

그는 직원을 추적하여 공장이 왜 그렇게 빨리 변했는지 물었습니다. 건조하거나 아프거나 죽어가는 것일 수 있습니까? 아니요. 식물은 단순히 습기와 더운 날에 반응하고 있었습니다. 마치 해바라기가 태양을 따라 회전하는 방식과 유사합니다. 이 현상을 방향성(tropism)이라고 합니다.

엔지니어로서 Aziz는 환경에 반응하는 천연 소재에 대한 생각에 흥미를 느꼈습니다. 그는 인간의 근육과 마찬가지로 자극을 동작으로 변환하고 전동 의류, 다용도 보철물, 전기 또는 가압수로 구동되는 이동 장치를 만드는 데 사용할 수 있는 장치의 구성 요소인 새로운 유형의 액추에이터인 인공 근육을 연구하여 박사 학위를 취득했습니다. 또는 공기.

이러한 장치는 종종 특정 형태 사이를 이동하는 전도성 폴리머 또는 "형상 기억 합금"과 같은 인공 재료로 구성되지만 이러한 개념을 연구하는 연구자들은 다재다능한 문어 촉수, 강력한 코끼리 몸통 및 빠른 벌새와 같은 자연에서 영감을 얻습니다. Bunnings Warehouse의 변신하는 오이는 Aziz에게 다음과 같은 아이디어를 주었습니다. 누군가 식물의 나선형 형태뿐만 아니라 식물의 자율적 행동도 복사할 수 있을까?

공장을 견인한 Aziz는 집으로 차를 몰고 가서 자신의 멘토에게 프로젝트를 소개하는 방법을 브레인스토밍했습니다. 그런 다음 그는 오이 덩굴손에 대해 알아보고 오이의 행동을 역설계할 수 있도록 학술 기사를 검토했습니다. 어떻게 수축하고 확장합니까? 그들은 어떻게 중력에 맞서 올라갈 수 있나요? 그는 나선형 식물이 덩굴손보다 더 깊은 수준에서 코일을 형성한다는 것을 발견했습니다. 마이크로피브릴이라고 불리는 미세한 셀룰로오스 섬유 가닥은 식물 세포 내에서 뒤틀려 있으며, 이는 다시 세포 다발 내에서 뒤틀리고 덩굴손 코일 내에서 뒤틀립니다.

그는 식물과 같은 움직임을 포착하기를 희망하면서 여러 층의 비틀림이 있는 액추에이터로 미세한 구조를 모방하기 시작했습니다. 그는 시작할 재료, 즉 실에 대해서만 알고 있었습니다. 실은 이미 촘촘하게 꼬인 섬유 다발입니다. 식물과 같은 꼬임은 분자 수준에서 내장되어 있으며 실이 부드럽기 때문에 더 많은 차원으로 감을 수 있습니다.

6개월 후, Aziz는 하이드로겔이라고 불리는 물을 흡수하고 유지하는 특수 폴리머가 주입된 감겨진 면사인 프로토타입을 갖게 되었습니다. 지난 5월에 Advanced Materials에 기고한 그의 팀은 나선형 식물의 팽창 및 수축 코일을 미세한 수준까지 모방하는 방법을 설명했으며, 이는 젖거나 차가울 때 실의 스프링이 자동으로 수축하고 작은 물체를 스스로 움직일 수 있을 만큼 강력하다는 것을 보여주었습니다.

"정말 식물의 행동을 아주 잘 모방한 것 같습니다."라고 꼬인 낚싯줄이나 속이 빈 폴리머가 근육처럼 팽창하고 수축하는 프로젝트에 참여한 Northern Arizona University의 기계 엔지니어인 Heidi Feigenbaum은 말합니다. 그러나 Aziz의 연구에는 포함되지 않습니다. 팀. 그녀는 코일형 액추에이터가 제공하는 유연성과 강도 때문에 현장에 도움이 된다고 믿습니다.

제레미 화이트

에밀리 멀린

유선 직원

윌 나이트

오이를 모방한 실험은 액추에이터에서 식물과 같은 방향성을 최초로 입증한 것이며, 딱딱한 것보다는 천, 종이, 섬유, 폴리머와 같은 유체 재료로 만든 액추에이터를 사용하는 "소프트" 로봇 공학을 향한 움직임의 일부입니다. 금속 조인트로 다양한 움직임을 우선시합니다. 부드러움은 수술 중과 같이 유연성과 로우 프로파일 디자인이 중요한 상황에서 로봇을 향상시킵니다. 자율 소프트 로봇은 전력 공급도 없고 사람도 없는 곳에서 작동할 수 있습니다.