KR101509402B1 - 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인간 근육의 구동과 실질적으로 동일하되 인간 근육에 의해 달성가능한 출력 이상을 출력하며 근수축 및 팽창의 반응속도가 우수한 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유에 관한 것이며, 중심 전극과 상기 중심 전극의 외면으로부터 방사방향을 따라 연장되는 유전 탄성체와 상기 유전 탄성체의 외면을 감싸는 대향 전극;을 구비하는 인공 근육 단위 섬유를 포함하며, 상기 인공 근육 단위 섬유는 나선 방향을 따라 꼬여짐으로써 상기 중심 전극에 전압이 인가될 시 상기 중심 전극의 길이방향을 따라 연장되되 상기 나선 방향을 따라 회전하는 인공 근육 섬유가 제공된다.

Description

유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유{ARTIFICIAL MUSCLE FIBER USING DIELECTRIC ELASTOMER}
본 발명은 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인간의 실제 근육과 같이 힘이 인가되면 수축하되 이러한 근수축을 용이하게 제어할 수 있는 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유에 관한 것이다.
인간의 근육은 ATP라는 생체에너지 물질에 의하여 액틴(actine)으로 이루어진 근섬유의 다발 사이에 미오신(myosin)의 근섬유가 서로 맞물리듯 미끄러져 들어감으로써 수축한다.
이러한 인간의 근육을 모사하기 위한 인공 근육 섬유에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
최근에는 유/공압 타입, 아이오닉 타입 및 열수축/팽창 타입 등이 개시되고 있다. 여기서, 유/공압 타입은 입출력을 위한 에너지 소모량이 크기 때문에 기구통합 측면에서 어려움이 존재하며, 아이오닉 타입은 구동력, 구동환경 구성면에서 어려움이 존재한다. 또한, 열수축/팽창 타입은 가열/냉각에 의해 근육의 수축/팽창이 발생하는데 근육수축시에는 빠른 반응속도를 가지나 근육팽창시에는 현저히 느린 반응속도를 지닌다는 점에서 문제점이 존재한다.
이에 따라, 적절한 에너지 소모량을 가지면서 충분한 출력을 발생시키며 근육의 수축 및 팽창에 대한 빠른 반응속도를 가지는 새로운 인공 근육 섬유에 대한 요구가 증가하고 있다.
<참고문헌> 등록특허공보 제10-0949191호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인간 근육의 구동과 실질적으로 동일하되 인간 근육에 의해 달성가능한 출력 이상을 출력하며 근수축 및 팽창의 반응속도가 우수한 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 중심 전극; 상기 중심 전극의 외면으로부터 방사방향을 따라 연장되는 유전 탄성체; 상기 유전 탄성체의 외면을 감싸는 대향 전극;을 구비하는 인공 근육 단위 섬유를 포함하며, 상기 인공 근육 단위 섬유는 나선 방향을 따라 꼬여짐으로써 상기 중심 전극에 전압이 인가될 시 상기 중심 전극의 길이방향을 따라 연장되되 상기 나선 방향을 따라 회전하는 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유에 의해 달성된다.
여기서, 상기 중심 전극은 섬유 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 중심 전극은 탄소 섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유전 탄성체는 합성 섬유로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유전 탄성체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane:PDMS), 실리콘, 아라미드 또는 나일론으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 대향 전극은 탄소 섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 대향 전극은 접지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인공 근육 단위 섬유는 전체적으로 나선 방향을 따라 연장형성되며, 상기 중심 전극에 전압이 인가될 시, 상기 인공 근육 단위 섬유는 상기 인공 근육 섬유의 길이방향을 따라 수축하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 인간의 근육 운동을 모사하여 힘이 인가되면 수축할 수 있는 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유가 제공된다.
또한, 실제 생활에 사용할 수 있을 정도의 충분한 출력을 발생시킬 수 있다.
또한, 외력이 인가됨에 따라 상당히 빠른 반응속도를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 꼬여지기 이전 상태를 개략적으로 도시한 절개사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유가 꼬여진 상태의 모습을 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 3은 도 2에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유가 꼬여진 상태의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 도 2에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 중심 전극에 전압이 인가되는 경우의 작동모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 꼬여지기 이전 상태를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 6은 도 5에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 중심 전극에 전압이 인가되는 경우의 작동모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)는 유전 탄성체를 사이에 두고 마련되는 전극에 전압을 인가되면 변형되는 유전 탄성체를 통해 인공 근육 섬유의 수축 및 팽창을 구현할 수 있는 것으로서, 중심 전극(110)과 유전 탄성체(120)와 대향 전극(130)을 포함한다. 여기서, 중심 전극(110)과 유전 탄성체(120)와 대향 전극(130)가 결합된 상태를 인공 근육 단위 섬유라 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 꼬여지기 이전 상태를 개략적으로 도시한 절개사시도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)의 각각의 구성을 설명하기에 앞서, 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)는 전체적으로 나선방향을 따라 꼬여진 형태로 형성되나, 설명의 편의를 위해 꼬여지기 이전 상태를 기준으로 먼저 설명한다.
상기 중심 전극(110)은 길이방향을 따라 연장되는 전극으로서, 본 발명의 제1실시예에서는 원기둥 형태로 마련된다.
여기서, 중심 전극(110)은 외부로부터 전압을 인가받을 수 있으며, 이러한 전압이 인가된 경우의 작동 모습은 후술한다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따르면 중심 전극(110)은 수축 및 팽창이 자유롭도록 섬유 형태로 마련될 수 있으며, 더 바람직하게는 탄소 섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소로 형성될 수 있다.
상기 유전 탄성체(120)는 중심 전극(110)의 외면으로부터 방사방향을 따라 연장되어 중심 전극(110)의 외면을 감싸는 형태로 마련되는 부재이다.
본 발명의 제1실시예에서 유전 탄성체(120)는 중심 전극(110)과 대응되는 형상의 중공(121)이 형성되는 원기둥 형상으로 마련될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 있어서 유전 탄성체(120)는 합성 섬유 소재로 마련될 수 있으며, 더 바람직하게는 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane: PDMS), 실리콘, 아라미드 또는 나일론으로 형성될 수 있다.
상기 대향 전극(130)은 유전 탄성체(120)의 외면을 감싸는 형태의 전극으로써 유전 탄성체(120)를 사이에 두고 중심 전극(110)을 마주보게 마련된다.
여기서, 대향 전극(130)은 유전 탄성체(120)의 외면을 코팅하는 형식으로 마련될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 대향 전극(130)은 탄소 섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)가 작동되도록 중심 전극(110) 측으로 전압이 인가되면, 대향 전극(130) 측은 중심 전극(110)에 인가되는 전압의 반대 극성을 가지는 전압이 인가되거나 또는 접지될 수 있다.
중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)이 결합관계에 대하여 다시 설명하면, 중심 전극(110)을 기준으로 방사방향을 따라 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)이 순차적으로 적층되는 형상으로 볼 수 있으며, 이들의 결합에 의해 전체적으로 원기둥 형상을 가질 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유가 꼬여진 상태의 모습을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유가 꼬여진 상태의 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2 또는 도 3을 참조하면, 중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)은 전체적으로 나선 방향을 따라 꼬여짐으로써 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)를 형성한다.
즉, 원기둥 형태의 중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)의 적어도 일단부를 회전시키면 원기둥 형태의 중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)은 나선 방향을 따라 꼬인다.
즉, 원기둥 형태의 중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)가 꼬여진 상태의 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)는 종단면이 꼬여진 상태로 형성되며, 전체적으로 길이방향을 따라 연장되는 원기둥 형상으로 마련된다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)가 신체 내부에서 작동되는 것을 고려하여, 대향 전극(130) 외측에 절연성 물질 또는 방수 물질이 코팅될 수 있다.
지금부터는 상술한 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
설명의 편의, 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)가 꼬여지기 이전 상태의 모습에서의 작동을 설명한다.
중심 전극(110) 측에 전압이 인가되면 대향 전극(130)과의 사이에서 전기장이 형성되므로, 중심 전극(110)과 대향 전극(130) 사이의 이격 간격이 좁아진다. 여기서, 중심 전극(110)과 대향 전극(130) 사이에 아무것도 개재되지 않는 경우에는 단순히 중심 전극(110)과 대향 전극(130) 사이의 이격 간격이 변동하는데 그치나, 중심 전극(110)과 대향 전극(130) 사이에 소정의 부피를 갖는 유전 탄성체(120)가 배치됨으로써 유전 탄성체(130)의 두께가 감소하고 길이는 증가하는 변형을 일으켜 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)가 길이방향을 따라 연장되도록 안내한다.
다시 설명하면, 유전 탄성체(120)가 소정의 부피를 가지므로, 유전 탄성체(120)가 아무리 변형되도 특별한 사정이 없는 이상 유전 탄성체(120)의 부피는 크게 변하지 않으며, 이러한 부피 일정의 법칙에 의해 중심 전극(110)과 대향 전극(130) 사이의 이격 간격 변동이 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)의 길이 변동의 영향을 미치게 된다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)가 꼬여지기 이전 상태의 모습에서의 작동을 설명하면, 상술한 것과 같이 꼬여지기 이전 상태와 같은 길이방향의 수축/팽창 과정은 당연히 존재하므로 이에 대한 설명은 생략하며, 꼬여진 형태에 의해 초래되는 작동 모습을 중점적으로 설명한다.
도 4는 도 2에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 중심 전극에 전압이 인가되는 경우의 작동모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상술한 것과 같이 중심 전극(110)에 전압이 인가되면, 유전 탄성체(120)는 폭방향으로 수축 및 길이방향으로 팽창되며, 이와 동시에 꼬여진 방향, 즉 나선 방향을 따라 회전력이 발생한다.
즉, 중심 전극(110)에 전압이 인가되면, 제1실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(100)는 나선방향을 따라 더 꼬여지면서 폭방향으로 수축 및 길이방향으로 팽창된다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 꼬여지기 이전 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)는 유전 탄성체를 사이에 두고 마련되는 전극에 전압을 인가되면 변형되는 유전 탄성체를 통해 인공 근육 섬유의 수축 및 팽창을 구현할 수 있는 것으로서, 중심 전극(110)과 유전 탄성체(120)와 대향 전극(130)을 포함한다.
본 발명의 제2실시예가 제1실시예와 상이한 점은 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)가 나선 방향을 따라 연장되는 코일 형상으로 마련된다는 점이다.
다시 설명하면, 원기둥 형태의 중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)이 꼬여진 상태에서 중심 전극(110), 유전 탄성체(120) 및 대향 전극(130)의 일단부를 더 회전시키면, 본 발명의 제2실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)는 전체적으로 나선방향을 따라 연장되는 코일 형상으로 변형된다.
이러한 형태는 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)에 전압이 인가될시, 제1실시예에서의 작동 외의 추가적인 작동을 발생시킨다.
특히, 나선 방향을 따라 발생하는 회전력에 의해 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)의 길이방향으로 팽창하는 움직임을 갖게 한다.
도 6은 도 5에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유의 중심 전극에 전압이 인가되는 경우의 작동모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여 자세히 설명하면, 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)의 일부, 360°회전한 일부를 살펴보면, 하부에 배치된 0°내지 180°구간, 즉 (a)구간에서는 회전력의 방향이 상향을 포함하므로 상측으로 움직인다. 여기서, 상부에 배치된 180°내지 360°구간, 즉 (b)구간에서는 회전력의 방향이 하향을 포함하므로 하측으로 움직인다.
결론적으로 (a)구간에서의 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)와 (b) 구간에서의 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)가 서로 근접하는 방향으로 움직인다.
이에 따라, 중심 전극(100)에 전압이 인가되면, 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)는 길이방향을 따라 팽창하게 되는 것이다.
이러한 움직임은, 힘을 받으면 수축하는 인간의 근육의 움직임과 실질적으로 동일하며, 유전 탄성체의 변형을 이용하므로 즉각적인 반응속도도 기대할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)에서는 전체적인 형상이 코일 형상으로 구비되는 것으로 설명하였으나 이에 제한되는 것은 아니며, 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유(200)의 길이방향 팽창을 구현할 수 있는 어떠한 구조도 여기에 포함된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유
110: 중심 전극 120: 유전 탄성체
130: 대향 전극
200: 유전 탄성체를 이용한 인공 근육 섬유

Claims (8)

  1. 중심 전극과 상기 중심 전극의 외면으로부터 방사방향을 따라 연장되는 유전 탄성체와 상기 유전 탄성체의 외면을 감싸는 대향 전극;을 구비하는 인공 근육 단위 섬유를 포함하며,
    상기 인공 근육 단위 섬유는 나선 방향을 따라 꼬여짐으로써 상기 중심 전극에 전압이 인가될 시 상기 중심 전극의 길이방향을 따라 연장되되 상기 나선 방향을 따라 회전하는 인공 근육 섬유.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중심 전극은 섬유 형태로 마련되는 인공 근육 섬유.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 중심 전극은 탄소 섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소로 형성되는 인공 근육 섬유.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유전 탄성체는 합성 섬유로 형성되는 인공 근육 섬유.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 유전 탄성체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane:PDMS), 실리콘, 아라미드 또는 나일론으로 형성되는 인공 근육 섬유.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 대향 전극은 탄소 섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소로 형성되는 인공 근육 섬유.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 대향 전극은 접지되는 인공 근육 섬유.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공 근육 단위 섬유는 나선 방향을 따라 연장형성되며,
    상기 중심 전극에 전압이 인가될 시, 상기 인공 근육 단위 섬유는 상기 인공 근육 단위 섬유의 길이방향을 따라 수축하는 인공 근육 섬유.




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