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당신이 근육을 만드는 가장 쉬운 방법

9월 23일 업데이트됨

근육에는 다양한 종류가 있습니다.

운동 잘하시는 분들의 상징, 빨래판 복근도 있고

영원한 힘의 상징, 이두박근과 삼두박근도 있고

미래 기술의 상징, 인공 근육도 있습니다!


이 기사에서는 누구나 인공 근육을 쉽게 만들 수 있는 방법에 대해 알아보려고 합니다. 혹시라도 근육질 몸매가 되고 싶어서 이 기사를 읽게 되신 분들은 그저 운동을 꾸준히 하시면 될 것 같습니다. ^^


근육이 무엇인가요?

인공 근육은 ‘인공’적으로 만든 근육입니다. 그렇기에 본격적인 내용에 들어가기 전 근육에 대해 알아봅시다. 근육은 대부분의 동물에게 존재하며 이를 통해 동물은 움직일 수 있습니다. 그 과정에서 신체 내부에 있는 액틴 필라멘트(actin filament)와 마이오신 필라멘트(myosin filament)라는 운동 단백질들이 생체 내부에 저장된 화학적 에너지를 운동 에너지로 바꾸어 줍니다. 이러한 단백질 분자간의 힘이 결국 서로 얽혀있는 분자들의 전체 길이를 줄이며 거시적인 일을 하게 되고 이러한 근육의 길이 변화를 통해 움직일 수 있게 됩니다.


혹시 생물학적으로 체내 운동단백질들과 아데노신 3인산염(adenosine triphosphate, ATP)이 상호작용하여 근육이 수축되고 다시 이완되는 과정이 궁금하신 분은 아래 동영상을 참고하시는 것도 좋을 것 같습니다.


그러면 인공 근육은 무엇인가요?

인공 근육은 실제 생물체의 근육을 모방한 인위적으로 만들어진 근육으로 전압, 전류, 온도, 압력 등의 변화에 따라서 팽창, 수축, 회전 등의 운동이 일어나는 물질 또는 기계 장치를 의미합니다.


우선 인공 근육은 산업용 로봇의 외골격을 만들 때 쓰일 수 있는데 이는 인공 근육이 일반적인 산업용 기계 장치에 비해 높은 유연성을 가지며 자체 무게 대비 낼 수 있는 힘[1,2]이 뛰어나기 때문입니다.


또한 사람의 생김새를 가지고 걷고 말하는 휴머노이드(humanoid)를 만들기 위해서는 실제 사람과 비슷한 피부나 근육 등의 구조도 만들 수 있어야 합니다. 이처럼 사람의 움직임과 모양을 따라하는 생체 모방 기계를 만들 때에도 인공 근육이 필요합니다. 뿐만 아니라 특정 화학 물질의 농도에 따라 반응하는 인공 근육의 경우 의학 분야에서도 쓰일 수 있는데 실제로 한 연구팀은 포도당에 반응하는 하이드로겔(hydrogel)을 개발해 포도당 농도에 따라 작동하는 인공 근육을 개발했는데 이를 이용하면 몸 속 혈당 농도에 따라 자동으로 약물을 방출하는 공급 장치를 만들 수 있다고 합니다.[1] 또한 온도에 따라 공기구멍의 크기가 바뀌는 직물이나 로봇의 자연스러운 얼굴 근육, 수술기구를 정밀하게 구동하는 장치들을 만들 수 있을 것이라고 합니다.[3]


이렇게 로봇 공학, 의학 등 여러 분야에서 가능성을 지닌 인공 근육은 지금까지도 연구가 꾸준히 되고 있는 분야입니다. 그 증거로 국제학술지인 사이언스(Science) 2019년 7월호에는 인공 근육 관련 개발 논문이 3편이나 실리기도 하였습니다.[1,4]


인공 근육의 예시로는 무엇이 있나요?

인공 근육은 작동 원리에 따라 다양한 방법이 있습니다. 대표적인 예로는 압축 공기를 이용하는 방법이 있습니다. 맥키븐 공압근육(McKibben air muscle)은 공기압으로 작동하는 인공 근육인데 관 내부에 압축 공기를 공급하면 관의 특수한 구조에 따라 수축과 이완을 하게 됩니다. 사실 이는 1960년대 개발이 되었지만 그 당시에는 공기 조절 밸브의 제어 성능이 좋지 않아서 제약이 많아 관심이 줄어들었습니다. 그러다가 1980년대 일본의 브리시스톤(Bridgestone)사에서 맥키븐 공압근육을 개량하여 로봇 팔을 출시하면서 다시 이에 대한 연구가 활발해지고 있습니다. 그 이후 2016년 7월 도쿄공업대학(Tokyo Tech University)과 오카야마 대학(Okayama University)이 합작해 만든 벤처 기업인 에스-머슬(s-muscle)이 공기압으로 작동하는 가늘고 세밀한 인공 근육을 출시하였습니다.[5]

또 다른 예로는 형상기억합금(Shape-Memory Alloy)을 이용한 인공 근육이 있습니다. 형상기억합금 또한 금속이기 때문에 내열성, 높은 피로 강도, 높은 변형력을 가지고 있다는 장점이 있습니다. 이러한 점을 이용해 스프링 모양으로 형상기억합금을 꼬아 온도에 따른 길이 수축률이 일정하게 한 물질을 만들 수 있습니다. 그 후 이러한 형상기억합금 스프링과 전원장치, 제어기 등을 결합해 인공 근육을 만들고 이를 경랑 점퍼 형태의 입는 로봇으로 만든 경우가 있습니다.[6] *피로 강도: 특정 물체에 힘을 정해진 횟수만큼 반복적으로 가하여 그 물체를 파괴시키기 위해 필요한 힘의 크기[7]

형상기억합금을 이용해 빛으로 움직이는 인공 근육을 만든 또 다른 예시가 있습니다. 니켈(Ni)과 타이타늄(Ti)으로 머리카락 굵기의 100분의 1 수준인 약 25µm의 다이아몬드(diamond)형 격자를 만들면 온도에 따라 크기가 변합니다. 그런데 이는 적은 에너지를 지니는 레이저 빛만으로도 쉽게 조절 가능했다고 합니다. 또한 이 합금의 변형률은 일반적인 합금들의 변형률인 6%에 비해 월등히 큰 60%라 크기를 크게 변형시킬 수 있으며 그렇기에 효과적인 운동이 가능하고 변형 속도도 빨라서, 1초에 1600번까지 초고속으로 수축과 이완을 반복할 수 있다고 합니다. 연구팀에 따르면 “힘도 강해서 실제 근육을 이루는 근원섬유보다 약 2배 강한 힘을 발휘할 수 있다”고 합니다. 위 연구 결과는 나노 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 2018년 6월 표지논문으로 게재되었습니다.[8]


전기가 통하면 수축하는 전기활성 고분자(EAP, Electroactive Polymer)라는 물질을 이용해 인공 근육을 만든 예시도 있습니다. 2005년 2월, 미국 샌디에이고에는 인공 근육으로 만들어진 기계팔과 인간의 팔씨름 대결이 이루어졌습니다. 이 팔씨름 대회는 전기활성 고분자에 대한 사회적 관심과 연구 성과를 소개하기 위한 자리였습니다. 이 물질에 전류가 흐르면 한 면은 양극, 다른 면은 음극이 되어 두 면은 서로 끌어당기게 되고 그 결과 고무 밴드가 휘어지게 된다고 합니다. 이때 전류를 차단하면 밴드는 원래 모양대로 돌아가기 때문에 전류를 흘렸다가 끊으면 마치 살아있는 근육처럼 움직이게 할 수 있다고 합니다.[9]


이렇게 많은 인공 근육 중 어떤 것이 가장 좋나요?

지금까지 다양한 종류와 원리의 인공 근육에 대해 알아보았습니다. 이러한 인공 근육들은 원리와 재질 등에서 다양한 차이가 나기 때문에 성능을 비교할 만한 기준이 필요합니다. 일단 기본적으로 사용처에 따라 재질의 밀도와 내구성 및 안정성, 중량 대비 힘 등을 비교할 수 있을 것입니다. 예를 들어 수의로 쓰이기 위해서는 유연성이 결정적인 요소가 될 것이고, 비행 물체에 쓰이기 위해서는 밀도 또는 단위 중량 당 낼 수 있는 힘 등이 중요할 것입니다. 또한 의학이나 산업용으로 쓰이기 위해서는 얼마나 빠르고 정확하게 수축과 이완을 반복할 수 있는가도 중요한 요소가 될 것입니다.


하지만 개인적으로 이렇게 인공 근육과 같이 좋은 기술의 경우 값싸게 실용화되는 것이 중요하다고 생각합니다. 그런 면에서 실험실에서 비싸게 실험해서 좋은 실험결과를 얻어낸 연구도 중요하지만 누구나 손쉽게 재현할 수 있는 간단한 실험결과 또한 중요하다고 생각합니다. 그렇기 때문에 제가 가장 흥미롭게 보았던 다음의 연구를 소개하고 싶습니다.

김선정 한양대 생체공학과 교수와 레이 바우만(Ray H. Baughman) 미국 텍사스대 나노테크연구소 교수를 비롯한 호주, 캐나다, 터키 등의 국제 공동 연구진은 낚싯줄과 재봉실을 나선형으로 꼬아 강력한 인공 근육을 만드는데 성공한 것에 대한 연구결과를 발표했습니다.[10] 기본적으로 낚싯줄, 재봉실과 같은 실의 경우 한 방향으로 계속 꼬게 되면 스프링 모양과 같은 모양이 생기게 됩니다. 이때 열을 가하면 이러한 모양을 유지시킬 수 있습니다. 그런데 낚싯줄과 재봉실의 원료인 나일론의 경우 열을 받으면 수축하고 온도가 내려가면 늘어나는 성질을 이용하면 이렇게 만들어진 인공 근육의 길이를 조절할 수 있습니다. 여기서 더 나아가서 낚싯줄에 구리선을 감은 상태로 낚싯줄을 감게 되면 구리선에 전류를 흘린 후 전류에 흐를 때 나오는 열을 이용해 인공 근육의 길이를 균일하면서도 간편하게 조절할 수 있습니다. 또한 다른 물리적 또는 화학적 성질을 지닌 섬유와 함께 쓰게 되면 그 성질에 따라서 길이가 달라지는 감지기의 역할까지 수행할 수 있다는 장점이 있습니다.[11]

연구 결과에 따르면 실제 사람의 근육은 원래 길이에 비해 줄어드는 길이, 즉 수축률이 20%에 그치는 반면 연구진은 낚싯줄을 스프링 모양으로 감아 수축률이 50%까지 도달하게 만들었습니다. 뿐만 아니라, 실제 사람 근육에 비해 100배나 큰 힘을 낼 수 있다고 합니다. 실제로 사람 머리카락의 10배 정도 굵기의 낚싯줄 다발을 꼬아 만든 인공 근육은 70kgf 이상의 무게를 들어 올렸으며, 100가닥의 인공 근육으로는 800kgf의 무게를 감당할 수 있었다고 합니다. 하지만 가장 중요한 점은 비교적 쉽게 구할 수 있는 낚싯줄을 이용해서 만들었다는 점입니다. 참고로 위의 연구 결과는 세계적인 학술지인 사이언스 지(Science)에 2014년 2월 주요 논문으로 게재되었습니다.[12] 이 연구팀은 이 이후에도 2019년 7월에도 인공 근육에 대한 연구로 사이언스 지(Science)에 한 번 더 이름을 올렸습니다.[13]


여담으로 이 논문과 관련하여 2015년 국제 청소년 물리 토너먼트(International Young Physicists’ Tournament, IYPT) 3번 문제는 ‘Artificial Muscle‘이라는 이름으로 이렇게 꼬인 낚싯줄을 열로 고정을 시킨 후 온도에 따라 길이가 달라지는 현상을 규명하라는 문제로 나왔었습니다.[14]

다음은 이에 관련된 동영상들이며 ‘Iskanderuse’라는 유튜브 채널도 많은 도움이 될 것 같습니다.

*Iskanderuse 유튜브 채널 링크: https://www.youtube.com/user/Iskanderuse





그래서?

사실 아직까지도 인공 근육은 부족한 점이 많습니다. 일단 전체적으로 비쌉니다. 특히 형상기억합금을 이용하는 경우는 상용화가 불가능할 정도로 비쌉니다. 또한 마지막에 알려드린 것처럼 비교적 저렴한 경우에도 에너지 효율이 사람의 근육보다 떨어집니다. 사실 인공 근육이 사람의 근육보다 더 센 힘을 내는 것은 그리 어렵지 않은 일입니다. 그렇기에 어떤 면에서 아직까지도 인공 근육이 상용화가 되지 않은 이유는 에너지 효율이라고도 할 수 있습니다. 또 다른 면에서는 기술의 접근성이 떨어진다는 점입니다. 앞으로 연구가 더 진행되어 좋은 기술이 더 많은 사람에게 전파되면 좋겠습니다.



<참고자료>

[1] http://bit.ly/2LMyFAw

[2] http://bit.ly/350EqlP

[3] http://premium.chosun.com/site/data/html_dir/2014/02/20/2014022004467.html

[4] http://bit.ly/2V9xMFk

[5] http://bit.ly/356EwII

[6] https://www.sedaily.com/NewsVIew/1VMXGI9TKR

[7] https://www.instron.co.kr/our-company/library/glossary/f/fatigue-strength

[8] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=22812

[9] http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2007/04/04/2007040400982.html

[10] Carter S. Haines, Márcio D. Lima, et al. (2014). Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread. Science, 343(6173), 868–872. doi:10.1126/science.1246906

[11] https://www.mk.co.kr/news/economy/view/2014/03/350212/

[12] http://premium.chosun.com/site/data/html_dir/2014/02/20/2014022004467.html

[13]

https://www.sciencetimes.co.kr/?news=%ec%82%ac%eb%9e%8c-%ea%b7%bc%ec%9c%a1%ec%9d%98-40%eb%b0%b0-%ed%9e%98-%eb%82%b4%eb%8a%94-%ec%9d%b8%ea%b3%b5%ea%b7%bc%ec%9c%a1-%ea%b0%9c%eb%b0%9c

[14] http://ilyam.org/SD_2015_IYPT_Reference_kit.pdf

[15] https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_muscle

[16] https://ko.wikipedia.org/wiki/근수축

[17] https://ko.wikipedia.org/wiki/근육


<이미지>

[1] http://bit.ly/2LJ6Qco

[2] http://bit.ly/2Vdb27f

[3] http://www.itnews.or.kr/?p=18998

[4] https://www.sedaily.com/NewsVIew/1VMXGI9TKR

[5] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=22812

[6] http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2007/04/04/2007040400982.html

[7] http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2007/04/04/2007040400982.html

[8] https://www.mk.co.kr/news/economy/view/2014/03/350212/

[9] http://premium.chosun.com/site/data/html_dir/2014/02/20/2014022004467.html


<동영상>

[1] https://www.youtube.com/watch?v=ousflrOzQHc

[2] http://bit.ly/356EwII

[3] https://www.youtube.com/watch?v=iMMGfzYXwAU

[4] https://www.youtube.com/watch?v=1A2LUbJjDQ0

[5] https://www.youtube.com/watch?v=Tba8Nf02OSI

[6] https://www.youtube.com/watch?v=2OuRX65xbKE


Physics 학생기자 황제욱

2019년 가을호

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