MIT 등 공동연구팀, 온도에 따라 모양 변하는 3D 프린팅 매쉬 기술 개발

일정한 온도에 도달하면 모양이 변하는, 3D 프린팅을 활용한 그물망(3-D printed mesh-like structures) 제작 기술이 개발됐다. MIT, 하버드 대학, 보스턴 대학 공동 연구팀은 평소에는 평평한 상태에 있던 그물망(mesh)이, 특정 온도에 도달하면 미리 기억 시켜 둔 사람 얼굴 모양으로 변하는 실험에 성공했다고 밝혔다. 아울러 모양이 변하면 공진 주파수가 달라지는 전도성 액체 금속을 내장한 메시 구조의 안테나 설계도 가능하다고 전했다. 

 

자유롭게 구부리거나 변형시켰던 금속이나 플라스틱이, 가열하거나 특정 온도에 도달하면 변형되기 이전으로 돌아오는, 원래의 형상을 기억하는 합금이나 플라스틱 등은 이미 오래전 상용화됐다. 이러한 형상 기억 합금이나 플라스틱은 설계 및 제조 시설을 갖춘 공장에서 제조하지만, 이번에 공동연구팀이 개발한 기술은 3D 프린팅 기술을 활용한다는 점이 다르다.

 

형상 기억물질을 이용해 3D 프린터로 인쇄한 가우스의 얼굴 패턴. 평평한 격자 구조의 그물망이, 특정 온도가 되면 사람 얼굴 모양으로 변형된다. 하버드, MIT, 보스턴 대학 연구팀이 형상 기억 매시 기술을 개발했다고 발표했다.(사진:MIT 뉴스)

 

특히 원하는 형태의 격자 구조로 형상을 기억시킨 제품이나 부품을, 연구실이나 시제품 개발 단계에서 만들 수 있는 것이 장점이다. 이를테면 물속에 들어가면 모양이 바뀌는 로봇 해파리 개발, 로봇에서 액추에이터를 대신해 인공 근육처럼 활용할 수 있는 기술, 원하는 온도에 도달하면 자동으로 펼쳐지는 텐트, 막히거나 좁아진 혈관에 삽입해 혈액 순환을 정상화하는 스텐트(Stent) 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

 

형상기억 합금은 1960년 미국 해군연구소에서 처음 개발됐다. 니켈과 티타늄을 사용해 만든 니티놀(Nitinol)이라는 금속은, 온도가 변하면 결정구조가 변하는 성질이 있다. 온도가 낮을 때는 원자 구조가 쉽게 변하고, 온도가 높을 때는 원자 구조가 단단해져 변하지 않는다. 이를 활용해 저온에서는 구부리거나 접어서 원하는 모양으로 만들 수 있고, 온도를 높이면 원래 모양을 되돌아가는 형상 기억 합금을 만들었다. 

 

다양한 분야에서 널리 활용되고 있는 형상 기억 합금이나 플라스틱은 복잡한 모양을 만들 수 없다는 단점이 있다. 이번에 공동연구팀에 의해 개발된 메시 구조의 형상 기억 변환 기술은 이보다 복잡하고 다양한 모양을 만들 수 있는 것으로 알려졌다. 이를 위해 특정 재료를 변형시키는 기술, 팽창 및 수축을 계산하는 공식과 알고리즘, 이를 시뮬레이션하고 시각화하는 방법을 고안했다.

 

이러한 방법을 활용해 독일의 수학자이자 과학자인 가우스의 얼굴을 3D 이미지로 만들고, 이미지로부터 얼굴 윤곽을 형성하는 일종의 지도를 만들었다. 얼굴에서 들어가거나 올라와야 할 부분에 대한 거리 정보를 만든 것이다. 거리 정보는 알고리즘을 활용해 각각의 그물망을 연결하는 격자로 변환했다. 그리고 온도가 상승하면 자연적으로 팽창하는 일반적인 고무 재료인 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용해, 3D 프린터로 설계된 격자 구조물을 인쇄했다. 

 

하버드 대학교 SEAS와 위스 생물 공학 연구소가 공개한 자료에는, 단순한 격자가 온도에 따라 변형되는 영상도 포함되어 있다. 네 가지 재료를 사용해 온도 변화에 따라 모양을 바꾸는 격자는, 변형이나 변화 정도를 프로그래밍할 수 있다고 한다. 이를 활용하면 형상 변환 패치형 안테나를 제작하는 것도 가능하고, 형태 변화에 따라 공진 주파수가 달라지는 안테나를 제작할 수도 있다고 밝혔다. 

 

논문 공동 저자 중 보스턴 대학교의 윌리엄 볼리(William Boley) 조교수는 “이번 연구를 적용할 수 있는 응용 분야는 소프트 전자공학(Soft Electronics), 스마트 직물(Smart Fabrics), 조직 공학(Tissue Engineering), 로봇 공학(Robotics) 등의 분야로 확장할 수 있다”고 전했다. 아울러 하버드 대학교 기술 개발 사무소는 상용화 방법을 찾고 있다고 밝혔다. 이번 연구는 국립 과학 재단(National Science Foundation)과 드래이퍼 연구소(Draper Laboratory)의 연구소의 부분적인 지원을 받았다.

 

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