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KR102594330B1 - 물 감응성 소프트 엑추에이터 및 이의 제조방법 - Google Patents

물 감응성 소프트 엑추에이터 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR102594330B1
KR102594330B1 KR1020210043595A KR20210043595A KR102594330B1 KR 102594330 B1 KR102594330 B1 KR 102594330B1 KR 1020210043595 A KR1020210043595 A KR 1020210043595A KR 20210043595 A KR20210043595 A KR 20210043595A KR 102594330 B1 KR102594330 B1 KR 102594330B1
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soft
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Abstract

본 발명은 부피변화가 거의 발생하지 않는 물 감응성 하이드로겔을 이용한 물 감응성 소프트 엑추에이터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 폴리이소프로필아크릴아미드를 포함하고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드는 N-이소프로필아크릴아미드 단량체와 물의 중량비가 87:13 ~ 95:5 이고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드가 물의 흡수량에 의해 구동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

물 감응성 소프트 엑추에이터 및 이의 제조방법 {Water-Responsive Soft Actuator And Method For Manufacturing The Same}
본 발명은 부피변화가 거의 발생하지 않는 물 감응성 하이드로겔을 이용한 물 감응성 소프트 엑추에이터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
소프트 로봇 공학의 발전은 조작, 이동, 인간-기계 인터페이스등을 포함한 다양한 응용 분야에서 기존 로봇의 많은 단점들을 극복할 수 있는 가능성을 제공하고 있다.
소프트 로봇의 필수 구성 요소인 소프트 엑추에이터는 기존 로봇의 충격에 대한 회복력을 증가시키고 주어진 환경에 맞게 구동할 수 있도록 다양한 작동 패턴과 동작을 생성할 수 있게 한다.
최근에는 물, 전기, 열 및 화학 반응하는 스마트 재료들이 소프트 엑추에이터에 접목되면서 자체 동작하는 소프트 엑추에이터들이 제안되고 있다. 이중에서 팽윤/팽창 완화 과정을 기반으로 하여 구동되는 물 감응성 소프트 엑추에이터는 가장 인위적이지 않은 환경에서 구동이 이루어 지기 때문에 많은 관심을 받고 있다.
그런데, 현재까지 개발된 물 감응성 소프트 엑추에이터는 하이드로겔 기반으로 제작되어 ~10-2 N 수준의 낮은 구동력을 가지고, 팽윤/팽창 완화 과정을 기반으로 하여 구동되기 때문에 ~10-2 s-1 수준의 느린 구동속도를 가지고 있다. 이러한 이유로 종래의 물 감응성 소프트 엑추에이터는 그 잠재력에 비해 소프트 로봇으로의 실제 활용은 제한되고 있는 실정이다.
공개특허공보 제10-2020-0050552호
본 발명의 목적은 종래의 물 감응성 소프트 엑추에이터의 낮은 구동력과 느린 구동 속도를 증가시킬 수 있는 새로운 개념의 물 감응성 소프트 엑추에이터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 물 감응성 소프트 엑추에이터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 폴리이소프로필아크릴아미드를 포함하고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드는 N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide) 단량체와 물의 중량비가 87:13 ~ 95:5 이고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드가 물의 흡수량에 의해 구동이 이루어지는, 물 감응성 소프트 엑추에이터를 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은, N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide) 수용액과, 가교제 및 광개시제를 포함하는 조성물을 만드는 단계와, 상기 조성물에 자외선을 조사하여 상기 N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide)를 가교시켜 폴리이소프로필아크릴아미드를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 폴리이소프로필아크릴 아미드는 물의 흡수량에 의해 구동력을 생성하는, 물 감응성 소프트 엑추에이터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 소프트 엑추에이터는 종래의 물 감응성 소프트 엑추에이터가 가진 kPa 수준의 낮은 강성을 MPa 수준의 높은 강성으로 증가시켜 소량의 물 흡수/방출을 통하여 구동될 수 있다.
또한, 구동력(actuation force)과 구동 속도(actuation speed)가 조절될 수 있어 그 활용도가 상당히 넓다.
또한, 본 발명에 따른 소프트 엑추에이터는 특히 소프트 로봇에 적용되었을 때, 넓은 범위 내에서의 조절이 가능하여, 종래의 물 감응성 소프트 엑추에이터의 실용적 한계점을 크게 뛰어 넘을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터의 구동방식을 도시화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 물 감응성 소프트 엑추에이터의 두께에 따른 구동력을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터가 연질의 물체를 잡을 수 있는 소프트 로봇에 적용되었을 때의 이미지를 실시간으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 감응성 소프트엑추에이터가 상처(wound)를 봉합할 수 있는 소프트 로봇에 적용되었을 때의 이미지를 실시간으로 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는, 폴리이소프로필아크릴아미드를 포함하고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드는 N-이소프로필아크릴아미드 단량체와 물의 중량비가 87:13 ~ 95:5 이고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드가 물의 흡수에 의해 구동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 N-이소프로필아크릴아미드의 농도가 높은 용액을 사용하여 가교시킨 폴리이소프로필아크릴아미드를 포함하며, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드는 N-이소프로필아크릴아미드 단량체와 물의 중량비가 87:13 ~ 95:5 의 범위로 포함함으로써, 종래의 물 감응성 소프트 엑추에이터에 비해 구동력과 구동 속도를 향상시킨데 특징이 있다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는, 물을 흡수시켜 원하는 형태로 변형시키고 건조시켜 변형된 형태를 유지한 것으로, 물을 흡수하여 변형 이전의 형상으로 돌아가도록 하는 것일 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 최초의 합성된 상태의 형상(permanent shape)에서 물을 흡수시키게 되면 변형이 가능하여 소정 형상으로 변형을 시킨 후 건조하여 변형된 형상이 유지되도록 한다. 변형된 형상은 습한 환경에 놓이게 되면, 물을 흡수하여 최초의 합성된 상태의 형상으로 되돌아 가는 형상기억능력을 통해, 소프트 엑추에이터로써 작동할 수 있다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 바람직하게 영의 계수(Young's modulus)가 1 MPa 이상일 수 있다.
종래의 물 감응성 엑추에이터는 영의 계수가 kPa 수준으로 낮은데, 영의 계수를 1MPa 이상으로 높게 유지할 경우, 소프트 엑추에이터의 구동력과 구동속도를 향상시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 바람직하게 0.05 ~ 5 %의 물을 흡수하고 방출함으로써 구동이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 물 감응성 엑추에이터는 종래에 비해 적은 양의 물을 흡수하고 방출하도록 하여 구동이 이루어진다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 바람직하게 104 ~ 106 J/m3의 에너지 밀도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 바람직하게 0.01 ~ 5 N의 구동력(actuation force)을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 바람직하게 0.01 ~ 5 s-1의 구동 속도를 가질 수 있다. 본 발명에서 구동 속도는 frequency (s-1)의 개념으로 정의된 것으로, 물 함유량에 의하여 구동되는 형상 회복이 이루어지는 1 사이클을 진행시키는데 소요되는 값이다.
또한, 본 발명에 따른 물 감응성 소프트 엑추에이터의 제조방법은, N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide) 수용액과, 가교제 및 광개시제를 포함하는 조성물을 만드는 단계와, 상기 조성물에 자외선을 조사하여 상기 N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide)를 가교시켜 폴리이소프로필아크릴아미드를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 폴리이소프로필아크릴아미드는 물의 흡수량에 의해 구동력을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 광개시제는 바람직하게 2-하이드로실-1-[4-2(-하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸프로판-1-온(2-hydroxyl-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methylpropan-1-one)일 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 가교제는 바람직하게 N,N-메틸렌비스아크릴아미드일 수 있다.
[실시예 1]
물 감응성 소프트 엑추에이터의 제조방법
물 감응성 소프트 엑추에이터는 N-이소프로필아크릴아마이드 대 물의 중량비가 87:13 내지 95:5인 단량체 수용액과 상기 광개시제와 가교제를 혼합시킨 후, 이를 poly(dimethylsiloxane)(PDMS) 몰드에 채우고 UV 광중합을 통해 제작하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 물 감응성 소프트 엑추에이터의 두께에 따른 구동력을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 2에서 확인되는 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 엑추에이터는 가교제 함유량과 두께에 따라 달라지며 최대 2 N의 구동력을 가지는 것으로 확인되었다. 이러한 구동력은 제작된 물 감응성 소프트 엑추에이터가 특정 로봇에서 harmonize된 모션(motion)으로 구동될 때, 그 구동력이 증가하여 5 N 수준의 구동력을 구현할 수 있음이 확인되었다.
[실시예 2]
그랩 소프트 로봇에의 적용 예
그랩 소프트 로봇의 경우, UV 광중합을 통해 합성된 최초의 형상(도 3의 손 형상에서 손가락이 물건을 잡는 형상)의 물 감응성 소프트 엑추에이터에 물을 흡수시켜 변형이 가능한 상태가 되면, 소정 형태로 변형(도 3의 손 형상에서 손가락이 벌어진 형상)시켜 제2형상으로 만들고 이를 건조하여 변형된 형태를 유지하도록 한다. 이와 같이 변형 및 건조된 소프트 엑추에이터를 습한 환경에 두면 물을 흡수하여 최초의 합성된 형상(도 3의 손 형상에서 손가락이 물건을 잡는 형상)으로 되돌아 가는 형상기억능력을 통해 소프트 엑추에이터로써 작동한다.
그랩(Grab) 소프트 로봇에 적용하기 위하여 1 N의 구동력을 가지는 4개의 서로 다른 물 감응성 소프트 엑추에이터를 제작하였다. 상기 구동력은 물 감응성 소프트 엑추에이터 (두께 2 mm, 폭 15 mm, 높이 20 mm)가 5 %의 광개시제를 함유하였을 때 생성되었고, 원하는 연질(soft)의 물질을 잡기 위하여 제작된 4개의 서로 다른 물 감응성 소프트 엑추에이터는 UV 광중합을 통하여 십자형태로 합쳐졌고, 이는 4 N의 구동력을 가지는 그랩 소프트 로봇으로 최종적으로 제작되었다.
이를 통하여 제작된 그랩 소프트 로봇에의 구동 속도는 0.1 s-1 수준으로 측정되었다. 실시예 2에 따른 소프트 엑추에이터가 적용된 그랩 소프트 로봇의 작동은 도 3에 나타내었다. 도 3의 결과는 타입 랩스(프레임: 2s)로 촬영한 것인데, 소프트한 그랩 동작이 종래에 비해 빠른 속도로 이루어지고 있음이 확인된다.
[실시예 3]
봉합(suture) 소프트 로봇에의 적용 예
봉합 소프트 로봇의 경우, UV 광중합을 통해 합성된 최초의 형상(도 4의 띠 형상)의 물 감응성 소프트 엑추에이터에 물을 흡수시켜 변형이 가능한 상태가 되면, 소정 형태로 변형(도 4의 띠 형상을 늘린 형상)시켜 제2형상으로 만들고 이를 건조하여 변형된 형태를 유지하도록 한다. 이와 같이 변형 및 건조된 소프트 엑추에이터를 습한 환경에 두면 물을 흡수하여 최초의 합성된 형상(도 4의 띠 형상)으로 되돌아 가는 형상기억능력을 통해 소프트 엑추에이터로써 작동한다.
봉합 소프트 로봇에 적용하기 위하여 0.06 N의 구동력을 가지는 3개의 서로 다른 물 감응성 소프트 엑추에이터를 제작하였다. 상기 구동력은 물 감응성 소프트 엑추에이터 (길이 10 mm, 폭 4 mm, 두께 1 mm)가 0.5 %의 광개시제를 함유하였을 때 생성되었고, wound gap (10 mm × 60 mm)을 효율적으로 봉합하기 위하여 제작된 3개의 서로 다른 물 감응성 소프트 엑추에이터 wound gap에 40 mm 간격으로 부착되었다.
이와 같이 제작된 봉합 소프트 엑추에이터 0.18N의 구동력을 0.17 s-1 수준의 구동 속도에서 이루어질 수 있게 하였다. 실시예 3에 따른 소프트 엑추에이터가 적용된 봉합 소프트 로봇의 작동은 도 4에 나타내었다. 도 4의 결과는 타임 랩스(frame: 2 s)로 촬영한 것인데, 봉합 동작이 빠르면서도 확실하게 이루어지는 것이 확인된다.

Claims (11)

  1. 폴리이소프로필아크릴아미드를 포함하며 제1 형상을 가지는 소프트 엑추에이터의 구동방법으로,
    (a) 상기 소프트 엑추에이터의 폴리이소프로필아크릴아미드에 물을 흡수시킨 후 외력을 가하여 제1 형상에서 제2 형상으로 변형시키는 단계;
    (b) 상기 제2 형상으로 변형된 소프트 엑추에이터의 폴리이소프로필아크릴아미드에 포함된 물의 소정량을 방출하여 제2 형상으로 유지시키는 단계;
    (c) 제2 형상으로 유지된 소프트 엑추에이터에 물을 흡수시켜 제1 형상으로 회복되도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에서 제1 형상으로 회복되는 과정에 구동이 이루어지는, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리이소프로필아크릴아미드는 N-이소프로필아크릴아미드 단량체와 물의 중량비가 87:13 ~ 95:5 인, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소프트 엑추에이터는 영의 계수(Young's modlus)가 1 MPa 이상인, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소프트 엑추에이터는, 0.05 내지 5 %의 물 흡수와 방출을 통해 구동되는, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소프트 엑추에이터는, 104 ~ 106 J/m3의 에너지 밀도를 가지는, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소프트 엑추에이터는, 0.01 ~ 5 N의 구동력(actuation force)을 가지는, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 소프트 엑추에이터는, 0.01 ~ 5 s-1의 구동 속도를 가지는, 소프트 엑추에이터의 구동방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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