KR20230063844A - 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
제1 지지 바디; 상기 제1 지지 바디로부터 제1 방향으로 이격된 제2 지지 바디; 일단이 상기 제1 지지 바디에 결합되고 타단이 상기 제2 지지 바디에 결합되는 얀(yarn) 구조체; 및 상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격된 광원부; 를 포함하되, 상기 얀 구조체는: 상기 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지는 고분자층; 및 상기 고분자층의 외면을 감싸는 광 흡수층; 을 포함하는 소프트 액츄에이터가 제공된다.
Description
본 발명은 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀한 제어가 가능한 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 관한 것이다.
인공근육은 실제 근육을 모방하여 인위적으로 만들어진 것으로 전압, 전류, 온도, 압력 등의 자극에 움직임을 보이는 물질 혹은 장치를 의미한다. 인공근육 기술은 관 내부에 압축 공기를 공급하면서 수축 이완하는 맥키븐 공압근육 (Mckibben air muscle)을 시작으로 형상기억합금(SMA), 전기활성고분자(EAP), 얀 구조 폴리머 나노소재 복합재 등 다양한 소재와 구조로 개발되고 있다. 전기활성고분자는 전압 인가 시 움직임을 보이는 소재로 빠른 응답속도, 대변형, 낮은 전력소모, 우수한 가공성 등 다양한 장점과 인체의 근육과 가장 유사한 원리와 특성을 지니고 있다. 따라서 낮은 출력의 한계가 있음에도 불구하고 인공근육 기술로 가장 많이 연구된다. 전기활성고분자는 작동방식에 따라 이온성 전기활성고분자(Ionic EAP), 전계활성 전기활성고분자(Field activated EAP) 나뉠 수 있다. 이온성 고분자는 전압을 인가했을 때, 이온들이 반대 전하를 띄는 전극 방향으로 이동하게 되면서 발생되는 부피차이에 의해 굽힘 변형(벤딩)이 일어난다. 전계활성 전기활성고분자는 인가된 전기장에 의해 전자 분극현상이 일어나고 양 전극에 유도된 전하들에 의한 정전기력에 의해 변형이 발생한다. 그 중 유전 탄성체는 다른 전기활성고분자에 비해 매우 큰 변형량 및 응력, 빠른 응답속도, 내구성, 우수한 재현성으로 가장 주목받고 있는 인공근육 소재이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 정밀한 제어가 가능한 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 부피가 적고 슬림한 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 제1 지지 바디; 상기 제1 지지 바디로부터 제1 방향으로 이격된 제2 지지 바디; 일단이 상기 제1 지지 바디에 결합되고 타단이 상기 제2 지지 바디에 결합되는 얀(yarn) 구조체; 및 상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격된 광원부; 를 포함하되, 상기 얀 구조체는: 상기 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지는 고분자층; 및 상기 고분자층의 외면을 감싸는 광 흡수층; 을 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 고분자층이 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 광 흡수층이 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 광원부가 복수 개의 LED 광원을 포함하되, 상기 복수 개의 LED 광원은 서로 상기 제1 방향으로 배열될 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 얀 구조체가 복수 개가 제공되되, 상기 복수 개의 얀 구조체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향의 각각에 교차되는 제3 방향으로 이격 배치될 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 제1 지지 바디로부터 상기 제2 지지 바디로 연장되는 반사 커버를 더 포함하되, 상기 반사 커버는 상기 얀 구조체 및 상기 광원을 둘러쌀 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 반사 커버가: 상기 얀 구조체 및 상기 광원이 위치하는 내부공간을 제공하는 탄성 고분자층; 및 상기 탄성 고분자층 외면 상의 광 반사층; 을 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터는 상기 탄성 고분자층이 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 소프트 액츄에이터; 및 상기 소프트 액츄에이터를 인체에 결합시키는 연결 부재; 를 포함하되, 상기 소프트 액츄에이터는: 제1 지지 바디; 상기 제1 지지 바디로부터 제1 방향으로 이격된 제2 지지 바디; 상기 제1 지지 바디로부터 상기 제2 지지 바디를 향해 상기 제1 방향으로 연장되되, 코일 스프링 형상을 갖는 얀(yarn) 구조체; 및 상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격된 광원부; 를 포함하며, 상기 연결 부재는: 상기 제1 지지 바디에 결합되는 제1 연결 부재; 및 상기 제2 지지 바디에 결합되는 제2 연결 부재; 를 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 얀 구조체가: 상기 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지는 고분자층; 및 상기 고분자층의 외면을 감싸는 광 흡수층; 을 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 고분자층이 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 광 흡수층은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 제1 연결 부재 및 상기 제2 연결 부재의 각각이 링 형상을 가질 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육은 상기 광원부가 복수 개의 LED 광원을 포함하되, 상기 복수 개의 LED 광원은 서로 상기 제1 방향으로 배열될 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육 구동 방법은 광원부로부터 얀 구조체에 광을 조사하는 것; 상기 얀 구조체의 광 흡수층이 광을 흡수하여 발열하는 것; 및 상기 얀 구조체의 고분자층이 광 흡수층으로부터 방출된 열에 의해 가열되어 상기 고분자층의 길이가 수축되는 것; 을 포함하되, 상기 고분자층은 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지고, 상기 광 흡수층은 상기 고분자층을 감쌀 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육 구동 방법은 상기 광원부가 상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격될 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 인공근육 구동 방법은 상기 고분자층이 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 광 흡수층은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 정밀한 제어가 가능할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 부피가 적고 슬림할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 다수의 곡률로 벤딩할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터의 얀 구조체를 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2의 얀 구조체를 I-I'을 따라 절단한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육 구동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 4의 순서도에 따른 인공근육 구동 방법을 나타낸 사시도이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 소프트 액츄에이터를 II-II'을 따라 절단한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육의 사용 상태를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터의 얀 구조체를 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2의 얀 구조체를 I-I'을 따라 절단한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육 구동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 4의 순서도에 따른 인공근육 구동 방법을 나타낸 사시도이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 소프트 액츄에이터를 II-II'을 따라 절단한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육의 사용 상태를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 블록도, 사시도, 및/또는 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시 예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 인공근육을 나타낸 단면도이다.
이하에서, 도 1의 D1을 제1 방향, 제1 방향(D1)에 교차되는 D2를 제2 방향, 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)의 각각에 교차되는 D3를 제3 방향이라 칭할 수 있다.
도 1을 참고하면, 인공근육(M)이 제공될 수 있다. 인공근육(M)은 인체의 근육 일부를 대신하여, 인체를 움직이는 동력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 인공근육(M)은 인체의 손가락에 결합되어, 손가락을 움직이는 동력을 제공할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 인공근육(M)은 인체의 다른 부위에 결합될 수도 있다. 이에 대한 상세한 내용은 도 9를 참고하여 후술하도록 한다.
인공근육(M)은 소프트 액츄에이터(A)를 포함할 수 있다. 소프트 액츄에이터(A)는 동력을 제공하는 장치일 수 있다. 보다 구체적으로, 소프트 액츄에이터(A)는 제1 방향(D1)으로 늘어나거나, 제1 방향(D1)으로 수축할 수 있다. 이를 위해 소프트 액츄에이터(A)는 제1 지지 바디(11), 제2 지지 바디(13), 얀(yarn) 구조체(3) 및 광원부(5)를 포함할 수 있다.
제1 지지 바디(11)는 인체의 일측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 지지 바디(11)는 인체의 관절의 일측에 고정되도록, 인체에 결합될 수 있다. 제1 지지 바디(11)는 도 1에 도시된 것과 같이 원판 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
제2 지지 바디(13)는 인체의 타측에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 지지 바디(13)는 인체의 관절의 타측에 고정되도록, 인체에 결합될 수 있다. 제2 지지 바디(13)는 도 1에 도시된 것과 같이 원판 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 제2 지지 바디(13)는 제1 지지 바디(11)로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 제2 지지 바디(13)는 제1 지지 바디(11)로부터 제1 방향(D1)으로 일정 거리 이격될 수 있다.
얀 구조체(3)는 제1 지지 바디(11)와 제2 지지 바디(13)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 얀 구조체(3)의 일측은 제1 지지 바디(11)의 일면에 결합되고, 얀 구조체(3)의 타측은 제2 지지 바디(13)의 일면에 결합될 수 있다. 제1 지지 바디(11)와 제2 지지 바디(13)가 서로 제1 방향(D1)으로 이격 배치된 경우, 얀 구조체(3)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 얀 구조체(3)는 코일 스프링 형상을 가질 수 있다. 즉, 얀 구조체(3)는 제1 방향(D1)으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가질 수 있다. 얀 구조체(3)는 늘어나거나, 수축할 수 있다. 보다 구체적으로, 얀 구조체(3)의 제1 방향(D1)으로의 길이가 변하도록, 얀 구조체(3)는 늘어나거나 수축할 수 있다. 이에 따라, 제1 지지 바디(11)와 제2 지지 바디(13) 간의 거리가 변할 수 있다. 이에 대한 보다 상세한 내용은 후술하도록 한다.
광원부(5)는 얀 구조체(3)에 광을 조사할 수 있다. 광원부(5)는 얀 구조체(3)로부터 제1 방향(D1)에 교차되는 방향으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 광원부(5)는 얀 구조체(3)로부터 제2 방향(D2)으로 이격 배치될 수 있다. 광원부(5)는 LED 광원(51) 및 광원 지지 부재(53)를 포함할 수 있다.
LED 광원(51)은 얀 구조체(3)를 향해 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 LED 광원(51)은 제2 방향(D2)의 반대 방향을 향해 배치될 수 있다. LED 광원(51)은 얀 구조체(3)를 향해 광을 조사할 수 있다. LED 광원(51)이 조사하는 광에 의해, 얀 구조체(3)의 적어도 일부의 온도가 상승할 수 있다. LED 광원(51)은 복수 개가 제공될 수 있다. 복수 개의 LED 광원(51)은 얀 구조체(3)의 연장 방향을 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 LED 광원(51)은 제1 방향(D1)으로 배열될 수 있다. 그러나 이하에서 편의 상 LED 광원(51)은 단수로 기술하도록 한다.
광원 지지 부재(53)는 LED 광원(51)을 지지할 수 있다. 광원 지지 부재(53)는 제1 지지 바디(11) 또는 제2 지지 바디(13)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 광원 지지 부재(53)는 제2 지지 바디(13)로부터 제1 방향(D1)의 반대 방향으로 연장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소프트 액츄에이터의 얀 구조체를 나타낸 정면도이고, 도 3은 도 2의 얀 구조체를 I-I'을 따라 절단한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 얀 구조체(3)는 고분자층(31) 및 광 흡수층(33)을 포함할 수 있다.
고분자층(31)은 코일 스프링 형상을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3에 도시된 고분자층(31)은, 도 2에 도시된 것과 같이 제1 방향(D1)으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가질 수 있다. 고분자층(31)은 고분자 파이버 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자층(31)은 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 고분자층(31)은 온도에 따라 부피가 변하는 다른 종류의 물질을 포함할 수도 있다.
광 흡수층(33)은 고분자층(31)을 둘러쌀 수 있다. 보다 구체적으로, 광 흡수층(33)은 도 3에 도시된 것과 같이 고분자층(31)의 외면(31s)을 둘러쌀 수 있다. 즉, 광 흡수층(33)은 고분자층(31)의 외면(31s)에 접할 수 있다. 고분자층(31)이 도 2에 도시된 것과 같이 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지는 경우, 고분자층(31)을 둘러싸는 광 흡수층(33)도 이와 유사한 코일 스프링 형상을 가질 수 있다. 광 흡수층(33)은 광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(33)의 외면(33s)에 광이 조사되면, 광 흡수층(33)은 광을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 광 흡수층(33)의 온도가 상승할 수 있다. 이를 위해, 광 흡수층(33)은 광을 흡수하여 온도가 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(33)은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 광 흡수층(33)은 광을 흡수할 수 있는 다른 종류의 물질을 포함할 수도 있다. 광 흡수층(33)은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(33)은 스프레이 코팅 및/또는 딥 코팅(dip-coating) 공정에 의해 고분자층(31)의 외면(31s) 상에 코팅될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 광 흡수층(33)은 다른 공정으로 형성될 수도 있다.
얀 구조체(3)의 기능에 대한 보다 상세한 내용은 후술하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육 구동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참고하면, 인공근육 구동 방법(S)이 제공될 수 있다. 인공근육 구동 방법(S)은, 도 1 내지 도 3을 참고하여 설명한 인공근육(M)을 구동하는 방법일 수 있다. 인공근육 구동 방법(S)은 얀 구조체에 광을 조사하는 것(S1), 광 흡수층이 광을 흡수하여 발열하는 것(S2) 및 고분자층의 길이가 수축되는 것(S3)을 포함할 수 있다.
이하에서, 도 5 및 도 3을 참고하여 도 4의 인공근육 구동 방법(S)을 설명하도록 한다.
도 5는 도 4의 순서도에 따른 인공근육 구동 방법을 나타낸 사시도이다.
도 5, 도 3 및 도 4를 참고하면, 얀 구조체에 광을 조사하는 것(S1)은 광원부(5)가 얀 구조체(3)에 광을 조사하는 것을 포함할 수 있다. 즉, LED 광원(51)에서 나온 광이 얀 구조체(3)에 조사될 수 있다. LED 광원(51)이 복수 개가 제공되는 경우, 복수 개의 LED 광원(51)의 각각으로부터 광이 나와, 얀 구조체(3)에 조사될 수 있다. LED 광원(51)에서 나온 광은 광 흡수층(33)의 외면(33s)에 조사될 수 있다.
광 흡수층이 광을 흡수하여 발열하는 것(S2)은, 광 흡수층(33)이 광 흡수층(33)의 외면(33s)에 조사된 광을 흡수하는 것을 포함할 수 있다. 광 흡수층(33)이 광을 흡수하면, 광 흡수층(33)의 온도가 상승할 수 있다. 광 흡수층(33)의 온도가 상승하면, 광 흡수층(33)은 주변으로 열을 방출할 수 있다. 즉, 광열효과(photo-thermal effect)에 의해, 광 흡수층(33)이 흡수한 광을 이용해 주변에 열을 방출할 수 있다. 광 흡수층(33)으로부터 방출된 열의 적어도 일부는 고분자층(31)으로 전달될 수 있다.
고분자층의 길이가 수축되는 것(S3)은, 광 흡수층(33)에서 방출된 열에 의해 고분자층(31)이 가열되는 것을 포함할 수 있다. 고분자층(31)이 열에 의해 가열되면, 고분자층(31)의 온도가 상승할 수 있다. 고분자층(31)의 온도가 상승하면, 고분자층(31)은 팽창할 수 있다. 보다 구체적으로, 고분자층(31)의 온도가 상승하여, 고분자층(31)이 두께 방향으로 팽창할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 것과 같은 고분자층(31)의 단면의 면적이 넓어지도록, 고분자층(31)이 팽창할 수 있다. 고분자층(31)이 두께 방향으로 팽창하면, 고분자층(31)의 길이가 수축될 수 있다. 즉, 고분자층(31)의 제1 방향(D1)으로의 길이가 줄어들 수 있다. 고분자층(31)의 길이가 수축되면, 제1 지지 바디(11)와 제2 지지 바디(13) 간의 간격이 좁아질 수 있다. 즉, 제1 지지 바디(11)와 제2 지지 바디(13)가 서로 가까워질 수 있다. 이에 따라, 소프트 액츄에이터(A) 전체가 수축될 수 있다.
이상에서 소프트 액츄에이터(A)가 인공근육(M)에 사용되는 것을 기준으로 서술하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 소프트 액츄에이터(A)는 인공근육이 아닌 다른 기술 분야에 적용될 수도 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 광원을 이용해 소프트 액츄에이터를 작동시킬 수 있다. 따라서 소프트 액츄에이터의 부피를 줄이고, 무게를 경량화할 수 있다. 따라서 소프트 액츄에이터를 인공근육에 적용할 경우, 인체에 가해지는 부담을 줄일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 광원을 이용해 얀 구조체를 수축시킴으로써, 소프트 액츄에이터의 정밀한 구동이 가능할 수 있다. 즉, 광원으로부터 조사되는 광의 세기를 조절함으로써, 소프트 액츄에이터의 변형 정도를 제어할 수 있다. 광의 세기를 이용해 소프트 액츄에이터의 변형 정도를 제어하므로, 정밀한 제어가 가능할 수 있다. 이에 따라, 인공근육의 제어 정밀도가 향상될 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이다.
이하에서, 도 1 내지 도 5를 참고하여 설명한 것과 실질적으로 동일 또는 유사한 내용에 대한 것은 설명을 생략할 수 있다.
도 6을 참고하면, 인공근육(M')이 제공될 수 있다. 인공근육(M')은 소프트 액츄에이터(A')를 포함할 수 있다. 그러나 도 1을 참고하여 설명한 그것과는 달리, 도 6의 소프트 액츄에이터(A')는 복수 개의 얀 구조체(3')를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것과 같이 4개의 얀 구조체(3')가 제공될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 얀 구조체(3')의 개수는 구체적 설계에 따라 다르게 적용될 수도 있다. 복수 개의 얀 구조체(3')는 서로 제3 방향(D3)으로 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 복수 개의 얀 구조체를 이용해, 소프트 액츄에이터의 수축력을 향상시킬 수 있다. 즉, 1개의 얀 구조체만으로 충분한 출력을 확보할 수 없는 경우, 복수 개의 얀 구조체를 적용할 수 있다. 이러한 방식으로, 소프트 액츄에이터의 출력을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육을 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7의 소프트 액츄에이터를 II-II'을 따라 절단한 상태를 나타낸 단면도이다.
이하에서, 도 1 내지 도 6을 참고하여 설명한 것과 실질적으로 동일 또는 유사한 내용에 대한 것은 설명을 생략할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 인공근육(M'')이 제공될 수 있다. 인공근육(M'')은 소프트 액츄에이터(A'')를 포함할 수 있다. 그러나 도 1을 참고하여 설명한 그것과는 달리, 도 7의 소프트 액츄에이터(A'')는 반사 커버(7)를 더 포함할 수 있다.
반사 커버(7)는 광원부(5) 및 얀 구조체(3)를 둘러쌀 수 있다. 실시 예들에서, 반사 커버(7)는 제1 지지 바디(11)로부터 제2 지지 바디(13)로 연장될 수 있다. 즉, 반사 커버(7)는 제1 지지 바디(11)로부터 제1 방향(D1)으로 연장되어 제2 지지 바디(13)에 연결될 수 있다. 반사 커버(7)는 광을 반사시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 반사 커버(7)는, 광원부(5)에서 조사된 광 중, 얀 구조체(3)가 흡수하지 못한 광을 반사시킬 수 있다. 이를 위해, 반사 커버(7)는 탄성 고분자층(71) 및 광 반사층(73)을 포함할 수 있다.
탄성 고분자층(71)은 내부공간(7h)을 제공할 수 있다. 내부공간(7h)에 얀 구조체(3) 및/또는 광원부(5)가 위치할 수 있다. 탄성 고분자층(71)의 제1 방향(D1)으로의 길이가 변할 수 있다. 즉, 얀 구조체(3)의 수축에 의해 제1 지지 바디(11)와 제2 지지 바디(13)가 가까워질 경우, 탄성 고분자층(71)의 제1 방향(D1)으로의 길이가 변할 수 있다. 이를 위해, 탄성 고분자층(71)은 수축성 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄성 고분자층(71)은 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 탄성 고분자층(71)은 그 길이가 가변적인 다른 물질을 포함할 수도 있다.
광 반사층(73)은 탄성 고분자층(71)의 외면 상에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 광 반사층(73)은 탄성 고분자층(71)을 둘러쌀 수 있다. 광 반사층(73)은 다양한 방법으로 탄성 고분자층(71) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 반사층(73)은 bar coating, meniscus dragging deposition(MDD), spray coating, evaporation, sputtering 등의 공정을 통해 탄성 고분자층(71) 상에 형성될 수 있다. 광 반사층(73)은 광을 반사할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 광 반사층(73)은 가시광 및/또는 적외선을 반사시킬 수 있는 박막형 금속 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 광 반사층을 포함하는 반사 커버가 얀 구조체 및 광원부를 둘러쌀 수 있다. 광원부로부터 조사된 광 중 얀 구조체가 흡수하지 못한 광은, 광 반사층에 의해 반사되어 다시 얀 구조체에 조사될 수 있다. 따라서 얀 구조체에 흡수되는 광이 증가할 수 있다. 이에 따라 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 인공근육의 사용 상태를 나타낸 사시도이다.
도 9를 참고하면, 인공근육(M)은 연결부재(9)를 더 포함할 수 있다. 연결부재(9)는 소프트 액츄에이터를 인체(HF)에 결합시킬 수 있다. 연결부재(9)는 제1 연결 부재(91) 및 제2 연결 부재(93)를 포함할 수 있다.
제1 연결 부재(91)는 제1 지지 바디(11)에 결합될 수 있다. 제1 연결 부재(91)는 인체(HF)의 일측에 고정될 수 있다. 제1 연결 부재(91)는 도 9에 도시된 것과 같이 링 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
제2 연결 부재(93)는 제2 지지 바디(13)에 결합될 수 있다. 제2 연결 부재(93)는 인체(HF)의 일측에 고정될 수 있다. 제2 연결 부재(93)는 도 9에 도시된 것과 같이 링 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 소프트 액츄에이터, 이를 포함하는 인공근육 및 이를 이용한 인공근육 구동 방법에 의하면, 인공근육의 일측을 인체의 일측에 고정시키고, 인공근육의 타측을 인체의 타측에 고정시킬 수 있다. 이 상태에서 소프트 액츄에이터를 수축시키면, 인체의 일부가 움직일 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 것과 같이 인체의 손가락 관절에 인공근육이 결합된 상태에서 소프트 액츄에이터를 수축시키면, 손가락 관절이 구부러질 수 있다.
이상에서 인공근육이 인체의 손가락에 사용되는 것을 기준으로 도시하고 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 인공근육은 다른 관절 등에 적용될 수도 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
M: 인공근육
A: 소프트 액츄에이터
11: 제1 지지 바디
13: 제2 지지 바디
3: 얀 구조체
31: 고분자층
33: 광 흡수층
5: 광원부
51: LED 광원
53: 광원 지지 부재
7: 반사 커버
71: 탄성 고분자층
73: 광 반사층
9: 연결 부재
91: 제1 연결 부재
93: 제2 연결 부재
A: 소프트 액츄에이터
11: 제1 지지 바디
13: 제2 지지 바디
3: 얀 구조체
31: 고분자층
33: 광 흡수층
5: 광원부
51: LED 광원
53: 광원 지지 부재
7: 반사 커버
71: 탄성 고분자층
73: 광 반사층
9: 연결 부재
91: 제1 연결 부재
93: 제2 연결 부재
Claims (16)
- 제1 지지 바디;
상기 제1 지지 바디로부터 제1 방향으로 이격된 제2 지지 바디;
일단이 상기 제1 지지 바디에 결합되고 타단이 상기 제2 지지 바디에 결합되는 얀(yarn) 구조체; 및
상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격된 광원부; 를 포함하되,
상기 얀 구조체는:
상기 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지는 고분자층; 및
상기 고분자층의 외면을 감싸는 광 흡수층; 을 포함하는 소프트 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고분자층은 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함하는 소프트 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수층은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함하는 소프트 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광원부는 복수 개의 LED 광원을 포함하되,
상기 복수 개의 LED 광원은 서로 상기 제1 방향으로 배열된 소프트 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 얀 구조체는 복수 개가 제공되되,
상기 복수 개의 얀 구조체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향의 각각에 교차되는 제3 방향으로 이격 배치되는 소프트 액츄에이터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 지지 바디로부터 상기 제2 지지 바디로 연장되는 반사 커버를 더 포함하되,
상기 반사 커버는 상기 얀 구조체 및 상기 광원을 둘러싸는 소프트 액츄에이터.
- 제 6 항에 있어서,
상기 반사 커버는:
상기 얀 구조체 및 상기 광원이 위치하는 내부공간을 제공하는 탄성 고분자층; 및
상기 탄성 고분자층 외면 상의 광 반사층; 을 포함하는 소프트 액츄에이터.
- 제 7 항에 있어서,
상기 탄성 고분자층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함하는 소프트 액츄에이터.
- 소프트 액츄에이터; 및
상기 소프트 액츄에이터를 인체에 결합시키는 연결 부재; 를 포함하되,
상기 소프트 액츄에이터는:
제1 지지 바디;
상기 제1 지지 바디로부터 제1 방향으로 이격된 제2 지지 바디;
상기 제1 지지 바디로부터 상기 제2 지지 바디를 향해 상기 제1 방향으로 연장되되, 코일 스프링 형상을 갖는 얀(yarn) 구조체; 및
상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격된 광원부; 를 포함하며,
상기 연결 부재는:
상기 제1 지지 바디에 결합되는 제1 연결 부재; 및
상기 제2 지지 바디에 결합되는 제2 연결 부재; 를 포함하는 인공근육.
- 제 9 항에 있어서,
상기 얀 구조체는:
상기 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지는 고분자층; 및
상기 고분자층의 외면을 감싸는 광 흡수층; 을 포함하는 인공근육.
- 제 10 항에 있어서,
상기 고분자층은 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 광 흡수층은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함하는 인공근육.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 연결 부재 및 상기 제2 연결 부재의 각각은 링 형상을 갖는 인공근육.
- 제 9 항에 있어서,
상기 광원부는 복수 개의 LED 광원을 포함하되,
상기 복수 개의 LED 광원은 서로 상기 제1 방향으로 배열된 인공근육.
- 광원부로부터 얀 구조체에 광을 조사하는 것;
상기 얀 구조체의 광 흡수층이 광을 흡수하여 발열하는 것; 및
상기 얀 구조체의 고분자층이 광 흡수층으로부터 방출된 열에 의해 가열되어, 상기 고분자층의 길이가 수축되는 것; 을 포함하되,
상기 고분자층은 제1 방향으로 연장되는 코일 스프링 형상을 가지고,
상기 광 흡수층은 상기 고분자층을 감싸는 인공근육 구동 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 광원부는 상기 얀 구조체로부터 상기 제1 방향에 교차되는 제2 방향으로 이격되는 인공근육 구동 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 고분자층은 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 코튼(cotton), 실크(silk) 또는 셀룰로오스(cellulose) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 광 흡수층은 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) doped with p-toluenesulfonate (PEDOT-Tos)를 포함하는 인공근육 구동 방법.
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|---|---|---|---|
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