빛 반응 액정 엘라스토머에 스냅스루·자석 결합...구동력 14배 이상↑
돼지 피부 364㎛ 삽입 성공...스마트 축산 원격 처치 시스템으로 확장 기대
국립부경대학교 연구진이 빛에 반응하는 소재와 스냅스루 구조, 영구자석을 결합해 마이크로니들(미세 바늘)을 피부에 원격 삽입하는 소프트 액추에이터 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
연구팀은 김대석 고분자공학전공 교수와 이채원 석사과정, 박승현 휴먼바이오융합전공 교수와 김난경 석·박사통합과정으로 구성됐다. 이들은 가축에 약물을 비접촉 방식으로 투여할 수 있는 '행동하는 스마트 축산' 시스템을 구현하기 위한 연구를 수행했다.
부경대 연구팀은 빛에 반응하는 아조벤젠 기반 액정 엘라스토머(LCE)를 활처럼 휜 아치 형태로 제작해 자외선을 조사하면 분자 배열 변화로 탄성에너지가 쌓인 뒤 구조가 순식간에 뒤집히는 스냅스루 현상을 유도했다.
기존 LCE는 변형 속도가 느리고 순간 출력이 낮다는 한계가 있었다. 연구팀은 영구자석의 인력을 결합해 스냅스루 임계점을 낮추고 에너지 방출을 증폭했다. 그 결과 빛만으로 구동했을 때 초당 약 140㎜였던 최대 속도는 초당 약 332㎜까지 늘었으며, 최대 구동력도 약 14.6배 향상됐다.
연구진은 이 액추에이터에 고분자 마이크로니들을 결합해 피부 삽입 성능을 검증했다. 실험에서 마이크로니들은 피부를 모사한 젤라틴 구조물과 실제 돼지 피부 조직 모두에 성공적으로 삽입됐다. 돼지 피부에서는 평균 약 364㎛ 깊이까지 도달했으며, 약물을 모사한 형광 물질이 삽입 부위 주변으로 전달되는 것도 확인했다.
아울러 바늘 길이와 배열 개수를 조절해 삽입 깊이, 물질 확산 면적을 제어할 수 있다는 점도 밝혀냈다. 연구팀은 향후 재사용 가능한 LCE-자석 모듈과 교체형 마이크로니들 카트리지를 결합하면 자동화된 정밀 처치 시스템으로 확장할 수 있을 것으로 내다봤다.
김 교수는 "빛에 의해 발생하는 작은 분자 수준의 변형을 스냅스루 구조와 자기력으로 증폭해 강한 기계적 충격으로 전환했다"며 "향후 스마트 축산뿐만 아니라 웨어러블 의료기기, 바이오인터페이스, 소프트 로봇 등 정밀하고 원격 제어가 필요한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다"고 전했다.
한편 연구 결과는 'Snap-Through-Driven Liquid Crystal Elastomers for High-Power Remote Microneedle Actuation toward Smart Livestock Systems'라는 제목으로 재료과학 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'(IF=19.9) 온라인판에 게재됐다.
