‘빛으로 움직이는 마이크로니들’ 국립부경대 연구진, 미래형 축산 위한 원격 주사 소프트 로봇 개발

- 김대석 교수팀…재료화학 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재

국립부경대학교 공동연구팀이 빛에 반응하는 부드러운 소재로 순간적으로 강한 힘을 발생시켜 마이크로니들(미세 바늘)을 피부에 삽입하는 새로운 소프트 액추에이터 기술을 개발해 주목받고 있다.

국립부경대 고분자공학전공 김대석 교수와 이채원 석사과정생, 휴먼바이오융합전공 박승현 교수와 김난경 석·박사통합과정생 공동연구팀은 빛에 반응하는 액정 엘라스토머(LCE)와 자석, 스냅스루(snap-through) 구조를 결합한 고출력 원격 마이크로니들 구동 시스템 개발에 성공했다.

액정 엘라스토머는 고무처럼 부드러우면서도 빛이나 열과 같은 외부 자극을 받으면 스스로 모양을 바꿀 수 있어 소프트 로봇과 인공근육의 핵심 소재로 주목받고 있다. 다만 기존 액정 엘라스토머는 변형이 비교적 천천히 진행되고 순간적으로 큰 힘을 내기 어렵다는 한계가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 뒤집힌 우산이나 헤어핀처럼 에너지를 축적한 구조가 임계점을 넘는 순간 ‘찰칵’하며 빠르게 반전되는 스냅스루 현상을 활용했다.

빛에 반응하는 아조벤젠 기반 액정 엘라스토머를 활처럼 휘어진 아치 형태로 제작하고 자외선을 조사하자, 소재 내부의 분자 배열 변화로 탄성에너지가 축적된 뒤 구조가 순식간에 뒤집히며 빠른 움직임을 발생시켰다.

연구진은 여기에 영구자석의 인력을 결합해 스냅스루가 일어나는 문턱을 낮추고 저장된 에너지가 더욱 빠르고 강하게 방출되도록 설계했다. 빛만으로 구동했을 때 초당 약 140㎜였던 최대 속도는 자석을 결합한 뒤 초당 약 332㎜까지 증가했으며, 최대 구동력도 약 14.6배 향상됐다.

이는 자석이 장치를 단독으로 움직이는 방식이 아니라, 빛에 의해 변형된 액정 엘라스토머가 임계점에 접근하면 자기력이 마지막 순간의 에너지 방출을 증폭하는 방식이다. 부드러운 소재의 유연성과 원격 제어 능력을 유지하면서도 기존 소프트 액추에이터의 낮은 출력 문제를 구조적으로 극복한 것이다.

연구팀은 개발한 액추에이터에 미세하고 정밀한 고분자 마이크로니들을 결합해 피부 삽입 성능도 확인했다. 빛을 비추면 아치 구조가 순간적으로 아래쪽으로 뒤집히며 마이크로니들에 순간적으로 강한 충격을 전달하는 원리다.

실험 결과, 마이크로니들은 피부를 모사한 젤라틴 구조물뿐 아니라 실제 돼지 피부 조직에도 성공적으로 삽입됐다. 돼지 피부에서는 평균 약 364㎛(마이크로미터) 깊이까지 도달했으며, 약물을 모사한 형광 물질이 삽입 부위 주변으로 전달되는 모습도 확인됐다. 마이크로니들의 길이와 배열 개수를 조절해 삽입 깊이와 물질의 확산 면적을 조절할 수 있다는 점도 확인했다.

이번 기술은 가축의 건강 상태를 센서로 감지하는 데 머물렀던 기존 스마트 축산 시스템을 넘어, 필요한 순간 실제 처치까지 수행하는 ‘행동하는 스마트 축산’의 가능성을 제시한 것으로 평가받는다. 향후 재사용 가능한 액정 엘라스토머–자석 모듈과 교체형 마이크로니들 카트리지를 결합하면 자동화된 정밀 처치 시스템으로 확장할 수 있을 것으로 기대된다.

김대석 교수는 “이번 연구는 빛에 의해 발생하는 작은 분자 수준의 변형을 스냅스루 구조와 자기력으로 증폭해 강한 기계적 충격으로 전환한 것이 핵심”이라며, “향후 스마트 축산뿐 아니라 웨어러블 의료기기, 바이오인터페이스, 소프트 로봇 등 정밀하고 원격 제어가 필요한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

이번 연구 결과를 담은 논문 ‘Snap-Through–Driven Liquid Crystal Elastomers for High-Power Remote Microneedle Actuation toward Smart Livestock Systems’는 재료과학 분야 세계적 국제학술지인 『Advanced Functional Materials』(IF: 19.9)에 8월 7일 온라인 게재됐다.

※ 논문 게재 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77576

※ 붙임: 1. (왼쪽부터) 김대석 교수, 박승현 교수, 이채원 석사과정생, 김난경 석·박사 통합과정생

2. 연구 이미지. 스냅스루 액정엘라스토머-마이크로니들 장치 구동 원리 및 스마트 축산 활용 예시