KR101903632B1 - 인공 근절 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중앙 지지부; 중앙 지지부의 양측에서 중앙 지지부와 나란하게 배치되는 한 쌍의 측면 지지부; 한 쌍의 측면 지지부와 각각 연결되고, 한 쌍의 측면 지지부로부터 중앙 지지부측으로 돌출하는 한 쌍의 도전부; 중앙 지지부와 연결되어, 길이 방향으로 변형 가능한 제1 가동부; 한 쌍의 도전부 사이에서 배치되고, 한 쌍의 측면 지지부와 제1 가동부의 양단을 연결하는 한 쌍의 탄성부; 및 제1 가동부 양면에 배치되어, 그 양단이 각각 한 쌍의 도전부의 단부 방향으로 변형 가능한 제2 가동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체 및 구조체의 조합에 관한 것이다.

Description

인공 근절 구조체{ARTIFICIAL SARCOMERE STRUCTURE}

본 발명은 인공 근절 구조체 및 이러한 인공 근절 구조체를 포함하는 인공 근섬유 구조체와 근육 구조체에 관한 것이다.

구체적으로, 복수의 형상 기억 합금으로 구성된 가동부들에 전기적 신호를 가하여 수축과 복원이 가능한 인공 근절 구조체 및 이러한 인공 근절 구조체를 결합하여 원하는 힘과 길이를 구현할 수 있는 인공 근섬유 구조체 및 인공 근육 구조체에 관한 것이다.

근절(sarcomere)는 근육의 기본적인 수축단위이다. 인공 근육에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기능적으로 가장 작은 단위인 근절을 모사한 기술은 존재하지 않는다.

또한, 인공 근육은 외골격 로봇, 휴머노이드 로봇 및 인공 팔이나 다리 등의 다양한 분야에 적용 가능하다. 최근, 인공 근육에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 근육의 수축 및 변형 속도보다는, 근육 구조체에 물리적인 힘을 구현하는 것에 초점을 맞추는 경우가 많다. 따라서, 인공 근육이 인체 동작을 모사하여 환자가 가볍게 입을 수 있는 착용형 로봇에 적용되기 위해서는 그 한계가 있다.

현재, 문헌에서 확인할 수 있는 인공 근육은 사람의 근육보다 큰 힘을 낼 수 있다고 보고되고 있으나, 그 구조적 한계로 인하여 환자의 의도에 적합한 수축 및 변형 속도에 따라 힘을 구현하기에는 한계가 있다.

도 1는 인간의 근육(1)의 수축(A) 및 복원(B)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 기재된 근육(1)은 대부분의 경우 골격근을 의미한다. 이러한 골격근은 무수한 근섬유로 이루어져 있고, 근섬유는 무수한 가느다란 근원 섬유로 이루어져 있다. 골격근섬유나 심장근섬유를 보면, 독특한 줄무늬 모양을 가지고 있는데, 이로 인하여 횡문근이라고도 불리우며, 근원 섬유의 굵은 세사(filament)인 마이오신(myosin)과 가는 세사인 액틴(actin)의 정열에 의해 줄무늬 모양이 나타난다. 또한, 근원 섬유는 무수한 근절로 이루어져 있다. 예를 들어, 이두박근 하나의 근섬유에는 100,000개의 근절을 포함한다.

도 2는 인간의 근절의 개략적인 모습을 나타낸 개념도이다. 근절은 근원 섬유의 기본적 단위로서, 근육의 기본적인 수축 단위이다. 각 근절은 2개의 Z원판(10) 사이에 있는 구조체를 말하며, 액틴(11)과 마이오신(12)의 정열로 첫번째 I대(밝은 구역), D대(어두운 구역), H영역(D대의 중앙), H영역 중앙에 있는 M선으로 이루어져 있다. 밝은 I밴드는 가는 액틴(11) 세사만 모여있는 구역을 말하며, H영역은 D대의 중앙 부분으로 굵은 마이오신(12) 세사로 이루어져 있다. H영역의 중앙에 M선이 있어, 근절 구조의 안정성을 돕는다. Z원판(10)에는 가는 액틴(11) 세사와 접합되는 부분(14)이 있고, 안정성을 제공한다. 원하는 시간에 원하는 힘을 낼 수 있도록 액틴(11)과 마이오신(12) 필라멘트의 분자들간 미끄러짐에 의해 활주가 일어나며, 액틴(11)과 마이오신(12) 사이의 교차연결의 움직임에 의하여 힘이 생성이 된다. 근절 및 근섬유의 다양한 조합과 근육이 뼈에 붙은 각도나 위치에 따라 각 관절에 생성되는 힘이 달라지게 된다. 따라서, 현재 인공 근육의 한계를 넘고자 인체 모방 기술을 통하여 근육의 기본 단위인 인공 근절 구조체의 연구가 필요하다.

본 발명의 목적은, 다수의 형상 기억 합금 (SMA)으로 구성된 액틴과 마이오신 대체 구조체에 전류를 공급하여 수축과 복원을 할 수 있는 인공 근절 구조체, 각 인공 근절 구조체들을 결합하여 원하는 힘과 길이를 낼 수 있는 인공 근섬유 구조체 및 근섬유의 조합으로 다양한 형태의 인공 근육 구조체를 제조할 수 있다.

또한, 인공 근절 구조체 및 이들의 조합 방법의 개발을 통하여 원하는 힘과 길이를 낼 수 있는 인공 근섬유 구조체 및 다양한 형태의 인공 근육 구조체 개발을 통하여 경량화된 엑츄에이터를 개발하고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중앙 지지부; 중앙 지지부의 양측에서 중앙 지지부와 나란하게 배치되는 한 쌍의 측면 지지부; 한 쌍의 측면 지지부와 각각 연결되고, 한 쌍의 측면 지지부로부터 중앙 지지부측으로 돌출하는 한 쌍의 도전부; 중앙 지지부와 연결되어, 길이 방향으로 변형 가능한 제1 가동부; 한 쌍의 도전부 사이에서 배치되고, 한 쌍의 측면 지지부와 제1 가동부의 양단을 연결하는 한 쌍의 탄성부; 제1 가동부 양면에 배치되어, 그 양단이 각각 한 쌍의 도전부의 단부 방향으로 변형 가능한 제2 가동부를 포함하는 인공 근절 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 가동부 및 제2 가동부는 전기적 신호를 통해 변형 가능하고, 형상 기억 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 제2 가동부가 복수의 형상 기억 합금이 적층되어 있는 인공 근절 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 쌍의 도전부는 측면 지지부와 전기적 신호가 연통 가능하고, 제1 가동부와 제2 가동부는, 중앙 지지부와 전기적 신호가 연통 가능하다.

또한, 본 발명의 인공 근절 구조체에 수축 신호가 입력되는 경우, 제1 가동부는 수축 변형하여 한 쌍의 탄성부를 중앙 지지부측으로 당기고, 제2 가동부의 양단은, 한 쌍의 도전부의 말단을 당길 수 있으며, 이 때, 본 발명의 제2 가동부의 양단과 한 쌍의 도전부의 말단 사이에는 전기적 인력이 작용할 수 있다.

또한, 본 발명의 인공 근절 구조체에 복원 신호가 입력되는 경우, 제1 가동부는 복원되어 한 쌍의 탄성부를 한 쌍의 측면 지지부측으로 밀어내고, 제2 가동부의 양단은 복원되면서, 한 쌍의 도전부의 말단을 밀어낼 수 있고, 이 때, 본 발명의 제2 가동부의 양단과 한 쌍의 도전부의 말단 사이에는 전기적 척력이 작용할 수 있다.

또한, 본 발명은 중앙 지지부와 한 쌍의 측면 지지부의 전기적 신호를 제어하는 제어부를 더 포함하는 인공 근절 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 인공 근절 구조체를 복수로 포함하고, 복수의 인공 근절 구조체를 길이 방향으로 배치하고, 인접하는 한 쌍의 인공 근절 구조체는 한 쌍의 측면 지지부를 서로 공유하도록 결합한 인공 근섬유 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 인공 근섬유 구조체를 복수로 포함하고, 복수의 인공 근섬유 구조체를 길이 방향과 두께 방향의 3차원으로 배치한 인공 근육 구조체를 제공할 수 있다.

본 발명은 현존하는 인공 근육과 달리 근절의 해부학적 및 생리학적 구조 모사를 통하여, 실제 인간의 근육처럼 좀 더 빠르게 원하는 힘을 원하는 시간에 제공할 수 있는 인공 근절 구조체, 인공 근섬유 구조체 및 근육 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 다수의 형상 기억 합금으로 구성된 액틴과 마이오신 대체 구조체에 전류를 공급하여 수축과 복원을 할 수 있는 인공 근절 구조체, 각 인공 근절 구조체를 결합하여 원하는 힘과 길이를 낼 수 있는 인공 근섬유 구조체 및 근섬유의 조합으로 다양한 형태의 인공 근육 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 인공 근절 구조체 및 그 조합 방법의 개발을 통하여 원하는 힘과 길이를 낼 수 있는 인공 근섬유 구조체와 다양한 형태의 인공 근육 구조체의 개발을 통하여 경량화된 엑츄에이터 개발을 할 수 있으며, 착용형 외골격 로봇 및 의수 또는 의족을 경량화할 수 있다.

또한, 본 발명은 경량화된 엑츄에이터를 통해 섬유로 제작하여, 의료, 스포츠, 의류, 국방, 토목 산업 등에 광범위 하게 활용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 인간의 근육(1)의 수축(A) 및 복원(B)을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a는 실제 근절의 개략적인 모습을 나타낸 것으로, 근절의 복원시를 나타낸 것이다.
도 2b는 실제 근절의 개략적인 모습을 나타낸 것으로, 근절의 수축시를 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체가 수축하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체가 복원하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근섬유 구조체를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근육 구조체를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 인공 근절 구조체(100) 및 그 작동 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체(100)를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 인공 근절 구조체(100)는 중앙의 중앙 지지부(170)와, 이러한 중앙 지지부(170)의 양측에서 중앙 지지부(170)와 나란하게 배치되는 한 쌍의 측면 지지부(120)가 배치된다. 중앙 지지부(170)와 측면 지지부(120)는 외부의 제어부(도시되지 않음)를 통하여, 전기적 신호가 제어될 수 있다.

또한, 중앙 지지부(170)에는 제1 가동부(130)가 연결되어 있고, 이러한 제1 가동부(130)는 제1 가동부(130)의 길이 방향으로 변형 가능하다. 또한, 제1 가동부(130)는 형상 기억 합금으로 이루어져, 중앙 지지부(170)를 경유하여 제1 가동부(130)에 전기적 신호가 전해지는 경우, 수신된 전기적 신호에 따라 수축이나 복원이 가능하다.

또한, 한 쌍의 측면 지지부(120)는 한 쌍의 탄성부(150)를 통해 제1 가동부(130)의 양단에 각각 연결되어 있으며, 한 쌍의 탄성부(150)의 양쪽에는 중앙 지지부(170) 측으로 돌출하는 한 쌍의 도전부(140)가 각각 배치되어 있다. 이러한 한 쌍의 도전부(140)는 측면 지지부(120)와 전기적 신호가 연통 가능하여, 측면 지지부(120)를 경유하여 한 쌍의 도전부(140)에 전기적 신호를 전달할 수 있다.

또한, 제1 가동부(130)의 양면에는 제2 가동부(160)가 배치될 수 있으며, 제2 가동부(160)는 복수의 형상 기억 합금이 적층되어 있는 구조를 사용할 수 있다. 제2 가동부(160) 역시 중앙 지지부(170)와 전기적으로 신호를 연통할 수 있으며, 이러한 전기적 신호를 통해 제2 가동부(160)의 말단이 각각 한 쌍의 도전부(140)의 단부측으로 이동할 수 있도록 변형될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체(100)가 수축하는 동작을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도시되지 않은 제어부를 통해 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체(100)에 수축 신호가 입력되는 경우, 제1 가동부는 수축 변형하여, 양단에 배치되는 한 쌍의 탄성부(150)를 중앙 지지부(170)측으로 당긴다. 따라서, 탄성부(150)에 연결되어 있는 한 쌍의 측면 지지부(120) 또한 중앙 지지부(170)로 당기는 효과가 발생한다.

또한, 중앙 지지부(170)를 경유하여 제2 가동부(160)에도 전기적 신호가 입력되기 때문에 제2 가동부(160)의 양단(161)이 측면 지지부(120)의 배치된 도전부(140)의 말단을 향해 변형된다. 본 발명의 일 실시 형태에서는 V형상으로 변형되었다. 이 때, 측면 지지부(120)를 경유한 한 쌍의 도전부(140)의 말단의 전기적 신호와, 제2 가동부(160)의 양단(161)의 전기적 신호를 제어하여, 서로 전기적 인력(Fa)이 작용하도록 하여, 한 쌍의 도전부(140)를 중앙 지지부(170)로 당기는 효과가 발생한다.

전술한 바와 같이, 제2 가동부(160)는 복수의 형상 기억 합금이 적층되어 있는 구조이기 때문에, 제2 가동부(160)의 양단(161)이 복수로 존재하게 되고, 따라서, 그 만큼 도전부(140)의 작용하는 전기적 인력(Fa)이 복수로 존재하기 때문에, 더욱 큰 힘으로 측면 지지부(120)를 중앙 지지부(170) 방향으로 당길 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체(100)가 복원하는 동작을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도시되지 않은 제어부를 통해 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근절 구조체(100)에 복원 신호가 입력되는 경우, 제1 가동부(130)는 본래의 형상대로 복원하여, 즉, 제1 가동부(130)가 길이 방향으로 연장하여, 양단에 배치되는 한 쌍의 탄성부(150)를 측면 지지부(120)측으로 밀어낸다.

또한, 중앙 지지부(170)를 경유하여 제2 가동부(170)에도 복원의 전기적 신호가 입력되기 때문에 제2 가동부(160)의 양단(161)이 제1 가동부(130)의 방향으로 복원된다. 본 발명의 일 실시 형태는 제2 가동부(160)의 본래 형상은 "ㅣ" 형상이다. 이 때, 측면 지지부(120)를 경유한 한 쌍의 도전부(140)의 말단의 전기적 신호와, 제2 가동부(160)의 양단(161)의 전기적 신호를 제어하여, 서로 전기적 인력(Fr)이 작용하도록 하여, 한 쌍의 도전부(140)를 측면 지지부 (120) 방향으로 밀어내는 효과가 발생한다.

전술한 바와 같이, 제2 가동부(160)는 복수의 형상 기억 합금이 적층되어 있기 때문에, 도전부(140)를 밀어내는 전기적 척력(Fr)이 복수로 존재하여, 더욱 큰 힘으로 측면 지지부(120)를 중앙 지지부(170) 반대 방향으로 밀어낼 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전기적 신호의 제어를 통해, 형상 기억 합금으로 이루어진 제1 가동부(130)과 제2 가동부(160)를 변형 또는 복원함으로써, 실제 인간의 근절(도 2a 및 도 2b 참조)과 같이 측면 지지부(120)의 수축과 복원을 할 수 있고, 실제 인간의 근절과 같은 빠른 응답성을 나타낼 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근섬유 구조체(200)를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 인공 근절 구조체(100)를 길이 방향으로 배치하고, 인접하는 인공 근절 구조체(100)는 서로 한 쌍의 측면 지지부(120)를 공유하도록 결합할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근섬유 구조체(200)는 원하는 강성과 힘을 생성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근육 구조체(300)를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 인공 근절 구조체(100)로 이루어진 인공 근섬유 구조체(200)를, 인공 근섬유 구조체(200)의 폭 방향(지면에서 가로 방향)과 두께 방향(지면과 수직하는 방향)으로 배치하여, 인공 근육 구조체(300)를 제작할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 인공 근육 구조체(300)는 인간의 근육과 유사한 구조체를 제공하여, 다양한 길이와 각도로 배치할 수 있다.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 근육 A 근육 수축
B 근육 복원 10 Z원판
11 액틴 12 마이오신
14 액틴과 Z원판의 결합 부분 100 인공 근절 구조체
120 측면 지지부 130 제1 가동부
150 탄성부 140 도전부
160 제2 가동부 161 제2 가동부 양단
Fa 전기적 인력 Fr 전기적 척력
200 인공 근섬유 구조체 300 인공 근육 구조체
170 중앙 지지부

Claims (13)

1. 중앙 지지부;
   상기 중앙 지지부의 양측에서 상기 중앙 지지부와 나란하게 배치되는 한 쌍의 측면 지지부;
   상기 한 쌍의 측면 지지부와 각각 연결되고, 상기 한 쌍의 측면 지지부로부터 상기 중앙 지지부측으로 돌출하는 한 쌍의 도전부;
   상기 중앙 지지부와 연결되어, 길이 방향으로 변형 가능한 제1 가동부;
   상기 한 쌍의 도전부 사이에서 배치되고, 상기 한 쌍의 측면 지지부와 상기 제1 가동부의 양단을 연결하는 한 쌍의 탄성부; 및
   상기 제1 가동부 양면에 배치되어, 그 양단이 각각 상기 한 쌍의 도전부의 단부 방향으로 변형 가능한 제2 가동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 가동부 및 상기 제2 가동부는 전기적 신호를 통해 변형 가능한 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 가동부 및 상기 제2 가동부는 형상 기억 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제2 가동부는 복수의 형상 기억 합금이 적층되어 있는 것을 특징으로 인공 근절 구조체.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 도전부는 상기 측면 지지부와 전기적 신호가 연통 가능한 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 가동부와 상기 제2 가동부는, 상기 중앙 지지부와 전기적 신호가 연통 가능한 것을 특징으로 인공 근절 구조체.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 인공 근절 구조체에 수축 신호가 입력되는 경우,
   상기 제1 가동부는 수축 변형하여 상기 한 쌍의 탄성부를 상기 중앙 지지부측으로 당기고,
   상기 제2 가동부의 양단은, 상기 한 쌍의 도전부의 말단을 당기는 것으로 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제2 가동부의 양단과 상기 한 쌍의 도전부의 말단 사이에는 전기적 인력이 작용하는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 인공 근절 구조체에 복원 신호가 입력되는 경우,
   상기 제1 가동부는 복원되어 상기 한 쌍의 탄성부를 상기 한 쌍의 측면 지지부측으로 밀어내고,
   상기 제2 가동부의 양단은 복원되면서, 상기 한 쌍의 도전부의 말단을 밀어내는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 가동부의 양단과 상기 한 쌍의 도전부의 말단 사이에는 전기적 척력이 작용하는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
    
11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공 근절 구조체는, 상기 중앙 지지부와 상기 한 쌍의 측면 지지부의 전기적 신호를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 근절 구조체.
    
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 인공 근절 구조체를 복수로 포함하고,
    상기 복수의 인공 근절 구조체를 길이 방향으로 배치하고, 인접하는 한 쌍의 인공 근절 구조체는 상기 한 쌍의 측면 지지부를 서로 공유하도록 결합한 것을 특징으로 하는 인공 근섬유 구조체.
    
13. 제 12 항에 기재된 인공 근섬유 구조체를 복수로 포함하고,
    상기 복수의 인공 근섬유 구조체를 폭 방향과 두께 방향의 3차원으로 배치한 것을 특징으로 하는 인공 근육 구조체.

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