스스로 할 수 있는 스마트 엘라스토머

2023년 1월 27일

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작성자: Shiyang Tang, 버밍엄 대학교

스마트 소재는 온도, 습도, 빛, 가해진 응력 등 특정 외부 자극에 반응하여 특성을 변경하는 능력을 갖춘 소재입니다. 스마트 소재의 가장 잘 알려진 사례 중 하나는 형상기억합금(SMA)입니다. 이는 온도 변화에 따라 모양이 변하는 금속 소재의 일종입니다.

스마트 재료의 또 다른 예로는 가해진 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성하는 압전 재료가 있습니다. 스마트 소재는 항공우주, 자동차, 로봇공학, 제조, 생체의학 공학 등 광범위한 분야에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.

가변 강성 재료는 외부 자극에 반응하여 강성 또는 변형에 대한 저항성을 조정할 수 있는 능력을 갖춘 일종의 스마트 재료입니다. 이 특성을 통해 재료는 변화하는 조건에 적응하고 광범위한 환경에서 성능을 향상시킬 수 있습니다.

가변 강성 재료의 주요 장점 중 하나는 기계 시스템의 효율성, 안전성 및 신뢰성을 높일 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 가변 강성 재료를 사용하여 다양한 물체와 환경에 적응할 수 있는 로봇 팔과 그리퍼를 만들 수 있습니다. 이를 통해 로봇 팔이나 그리퍼는 모양, 크기, 무게가 다른 다양한 물체를 처리할 수 있으므로 로봇 시스템의 복잡성을 줄이고 전반적인 효율성을 높일 수 있습니다.

조정 가능한 전기기계적 특성을 지닌 혁신적인 스마트 소재는 제조, 웨어러블 장치 및 로봇 공학 분야에 혁명을 일으키고 있습니다. 그러나 현재까지 환경 변화에 따라 전기적 및 기계적 특성을 지능적으로 자체 조정하고, 외부 제어 없이 변경된 특성을 시너지 효과로 활용할 수 있는 재료는 아직 완성되지 않았습니다.

이러한 격차를 메우기 위해 버밍엄 대학의 Shiyang Tang 박사가 이끄는 공동 연구팀은 중국 과학 기술 대학, 캠브리지 대학, 울런공 대학의 공동 연구자들과 함께 스마트 소재인 스마트 소재를 개발했습니다. Field의 금속 하이브리드 필러 엘라스토머(FMHE). FMHE는 Field의 금속(무독성 저융점 합금)과 엘라스토머 매트릭스에 내장된 스파이크 니켈 미세 입자의 하이브리드 필러로 구성됩니다.

이 연구는 Science Advances에 발표된 최근 논문에 보고되었습니다.

연구진이 만든 FMHE는 기계적 변형과 전류 모두에 반응할 수 있으며 외부 제어 없이 가변적이고 조정 가능한 전기 전도성과 강성을 나타냅니다. 필드의 금속이 녹고 응고되면서 강성의 변화가 가능해집니다. FMHE는 또한 압축 및 신장 시 저항률이 수백만 배 감소하면서 색다른 음의 압저항성과 높은 변형 감도를 나타냅니다.

이러한 특성을 시너지 방식으로 활용함으로써 연구원들은 최첨단 시스템에 비해 성능이 10배 이상 향상된 지능적이고 탄력적인 시스템의 두 가지 응용 프로그램을 시연했습니다. 첫 번째 애플리케이션은 과도한 압축, 굽힘 및 비틀림 움직임으로부터 로봇 조작기를 보호할 수 있는 자체 트리거형 다축 컴플라이언스 보상기입니다.