이웃집과학자

코넬대학교와 펜실베니아대 공동 연구진이 로봇 물고기를 개발했다고 합니다. <Nature>에 게재된 논문에 따르면 연구진이 개발한 로봇 물고기는 실리콘과 같은 부드러운 소재로 만들어 살아있는 생물처럼 유연하게 움직일 수 있는데요. 기존의 로봇 물고기와 다른 독특한 형태의 배터리와 액체 전해질로 이뤄진 합성 혈액을 가져 오랜 시간동안 물 속에서 헤엄칠 수 있다고 합니다.

연구진이 개발한 로봇 물고기는 쏠베감펭(Lionfish)를 모티브로 해 만들었다고 합니다. 쏠베감펭은 외양이 화려합니다. 물결 모양의 부채꼴 지느러미를 이용해 산호초 주변을 활보하고 다니는데요. 연구진은 쏠베감펭의 몸통과 지느러미를 로봇 물고기에 적용했다고 합니다.

소프트 로봇은 딱딱한 금속이 아닌 고무와 같은 유연한 소재를 활용해 만든 로봇입니다. 유연한 소재를 활용해 외부 환경에 대한 적응성이 증진된 로봇인데요. 덕분에 웨어러블 로봇과 인공피부 연구 등에서 각광받고 있죠. 대부분 유체입니다. 부피별로 최대 90% 정도의 유체가 사용되며 작동유를 사용하는 경우가 많은데요. 에너지를 저장하기 위해 유체를 사용하면 가중치 없이 에너지 밀도를 증가시킬 수 있습니다.

연구진은 실리콘 소재의 스킨과 유연한 전극 및 이온 분리막을 로봇 물고기에 적용했습니다. 덕분에 로봇 물고기는 몸을 유연하기 구부릴 수 있습니다.

로봇을 포함한 여러 전자제품에는 리튬 이온 배터리가 사용됩니다. 리튬 이온 배터리는 1991년 일본 소니가 탄소 전극을 (-)극으로 리튬 이온을 (+)극으로 해 개발한 배터리인데요. 기전력은 3.6V/CELL이고 500회 이상의 충전 및 방전이 가능하며 같은 크기 안에 담을 수 있는 전기용량이 최고라고 합니다. 고밀도 에너지 저장에도 사용되는데요.

하지만 리튬 이온 배터리로 로봇을 만들면 부피와 밀도가 크고 무겁기 때문에 설계상의 제약과 이동 옵션에서의 차질이 생길 수 있습니다.

이에 연구진은 레독스 흐름 배터리를 적용했습니다. 레독스(Redox)는 '산화-환원'이라는 의미인데요. 리튬 이온 배터리를 포함한 2차 전지와는 달리 전해액 내의 활성 물질이 산화-환원돼 충전 및 방전되는 시스템으로 전기에너지를 전해액의 화학적 에너지를 저장시키는 전기화학적 축전장치입니다. 실제 전기화학적 반응은 스택에서 일어나고 전해액을 유체 펌프를 이용해 스택 내부에 지속적으로 순환시켜서 작동시키죠.

덕분에 외부 별도의 전기 공급이 필요하지 않다고 합니다. 연구진이 개발한 레독스 흐름 배터리는 테슬라 모델 S의 리튬 이온 배터리의 절반 정도의 에너지 밀도를 달성했다고 합니다.

연구진은 레독스 흐름 배터리 내부에 전기를 공급하는 전해액과 로봇에 동력을 제공하는 유압액을 섞어 물고기의 '합성 혈액'을 개발했습니다. 로봇 물고기의 내부의 합성 혈액은 몸통에 있는 유압 펌프로 체내의 인공 혈관을 순환한다고 합니다. 이 때 지느러미 부위에 액체가 들어왔다 나갔다를 반복해 유압에 변화가 생기고 이로 인해 지느러미가 움직이는 거죠.

로봇 물고기의 몸통에는 펌프가 꼬리 지느러미에는 좌우에 레독스 흐름 배터리가 설치돼 있는데요. 인공 혈관에 있는 액체 전해질이 순환하면서 이온이 (-)과 (+)극 사이를 이동하며 전자를 주고받는 화학반응을 하면 이 때 생산되는 전기로 펌프와 전자장치를 구동한다고 합니다.

연구진은 개발한 40cm 길이의 로봇 물고기를 물 속에서 기동시켰습니다. 그 결과 로봇 물고기는 기존의 물고기보다는 느리지만 1분에 자신의 몸 길이의 1.5배 거리를 움직일 정도의 속도를 기록했습니다. 로봇 물고기는 이 속도를 유지하며 36시간 동안 움직였습니다.

연구진 중 한 명이자 코넬대 기계 및 우주공학 부교수 Rob Shepherd 박사는 "자연 속에서 우리는 유기체가 정교한 작업을 하면서 얼마나 오랫동안 활동할 수 있는지를 관찰한다. 로봇은 오랫동안 비슷한 동작을 할 수 없다"고 말했습니다. Shepherd 박사는 "바이오에서 영감을 받은 우리의 접근 방식은 시스템의 에너지 밀도를 획기적으로 증가시키는 동시에 소프트 로봇이 더 오랫동안 이동 상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다"며 이 연구의 의의를 밝혔습니다.

##참고자료##

• 이미하 <볼타가 들려주는 화학전지 이야기>
• 한신 <Vanadium Redox Flow Battery 개발 및 국내 실증>
• Aubin, Cameron A., et al. "Electrolytic vascular systems for energy-dense robots." Nature (2019): 1.