Stacked electrohydrodynamic pumps with densely perforated electrodes
본 연구는 고밀도 천공 전극을 갖춘 경량의 적층형 전기유체역학 펌프를 제시하며, 이는 55.0 W/kg의 기록적인 출력 밀도를 달축하고 유량 및 압력 성능을 크게 향상시켜 소프트 로봇 시스템을 구동하는 데 있어 그 효과를 입증한다.
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기계가 모터나 기어, 배터리가 아닌 액체 속을 흐르는 전기의 조용한 밀어냄으로 움직이는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 과학자들이 고전압 전기를 사용하여 유체를 휘젓고 움직임을 만들어내는 분야인 전기유체역학(electrohydrodynamics)의 영역입니다. 표준적인 설정에서는 두 개의 전극이 비전도성 액체 안에 놓여 있습니다. 강한 전기장이 가해지면, 이 전기장은 일부 유체 분자로부터 전자를 떼어내어 이들에게 양전하를 부여합니다. 이렇게 전하를 띤 분자들은 음극을 향해 끌려갑니다. 이들이 간극을 가로질러 질주할 때 주변의 중성 유체를 함께 끌고 가면서 일정한 흐름의 스트림을 만들어냅니다. 이 과정은 로봇 공학에 독특한 이점을 제공합니다. 움직이는 기계적 부품이 필요하지 않기 때문에, 결과물인 펌프는 소음이 없고, 믿을 수 없을 정도로 얇으며, 아주 작은 크기로 축소하기 쉽습니다. 수십 년 동안 연구자들은 살아있는 생명체의 부드러운 움직임을 모방할 수 있는 부드럽고 유연한 로봇을 구동할 만큼 강력한 펌프를 만들기 위해 노력해 왔지만, 부피를 늘리지 않고 힘을 키우는 것은 여전히 까다로운 과제로 남아 있었습니다.
일본 전자통신대학교(The University of Electro-Communications)의 연구진은 미쓰비시 케미컬(Mitsubishi Chemical)의 엔지니어들과 협력하여, 이 펌프들의 바로 그 핵심부를 재설계함으로써 중요한 진전을 이루었습니다. 단일 층의 전극에 의존하는 대신, 그들은 카드 한 덱처럼 여러 층을 쌓아 올려 가볍고도 놀라울 정도로 강력한 펌프를 개발했습니다. 그들의 혁신은 층을 구성하는 방식에 있습니다. 전극과 절연 재료를 별개의 조각으로 만들어 정렬하려고 시도하는 대신, 그들은 일상적인 전자 제품에서 볼 수 있는 회로 기판처럼 하나의 얇은 절연 시트 양면에 전극을 직접 식각했습니다. 그런 다음 이 전체 샌드위치 구조에 수천 개의 작은 구멍을 뚫었습니다. 이 "밀집된 천공(densely perforated)" 설계는 전기장이 모든 구멍의 가장자리에서 유체에 동시에 작용할 수 있게 하여, 매우 좁은 공간 내에서 발생하는 힘을 배가시킵니다.
연구진은 다양한 층수, 구멍 크기, 그리고 구멍의 밀도를 가진 펌프들을 제작하여 새로운 설계를 테스트했습니다. 그들은 단순히 더 많은 층을 쌓는 것만으로도 펌프가 더 강하게 밀어내며, 층수가 늘어남에 따라 압력이 거의 직접적으로 비례하여 상승한다는 것을 발견했습니다. 동시에, 구멍을 더 크게 만들면 더 많은 유체가 통과할 수 있어 유속이 증가했습니다. 이러한 요소들을 신중하게 조절함으로써, 그들은 무게가 단 0.64그램에 불과하면서도 크기 대비 엄청난 양의 유체를 이동시킬 수 있는 5층 구조의 펌프를 만들어냈습니다. 이 작은 장치는 분당 2041.0밀리리터의 최대 유량을 달성했으며 9.3킬로파스칼의 압력을 생성할 수 있었습니다. 아마도 가장 인상적인 점은, 자체 무게 대비 수행할 수 있는 작업량으로 측정했을 때, 이 펌프가 55.0와트 퍼 킬로그램의 출력 밀도를 전달했다는 것입니다. 이 수치는 유사한 유형의 기존 펌프보다 90배 이상 향상된 것으로, 가볍고 고체 상태인 장치에서 높은 성능을 얻어내는 데 따르는 오랜 문제를 효과적으로 해결했습니다.
이 기술이 실제 환경에서 사용될 준비가 되었음을 증명하기 위해, 연구팀은 이 새로운 펌프를 소프트 로봇 장치에 연결했습니다. 그들은 펌프와 두 가지 다른 유형의 소프트 액추에이터를 동일한 유전체 유체로 채웠습니다. 전압을 가하자 펌프는 유체를 액추에터 안으로 밀어 넣었고, 이에 따라 액추에이터들이 움직였습니다. 한 테스트에서, 펌프는 실리콘과 직Fabric으로 만들어진 인공 근육을 성공적으로 수축시켜 작은 무게를 들어 올릴 수 있을 만큼의 힘을 생성했습니다. 또 다른 테스트에서는 유체가 채워진 부드러운 팔을 구부렸습니다. 마지막으로, 이 구부러지는 팔 두 개를 단순한 그리퍼로 결합하여, 시스템은 작은 구형 및 입방체 물체를 집어 올리고 잡을 수 있었습니다. 이러한 시연은 이 펌프가 단순한 실험실의 호기심 대상이 아니라, 복잡하고 유연한 기계를 구동할 수 있는 다재다능한 동력원임을 보여주었습니다. 연구진은 펌프가 몇 시간 동안 작동하는 동안 안정적이었으나, 향후 연구는 서로 다른 유체를 테스트하고 쌓인 층 사이의 간격을 미세하게 조정하여 반응성을 더욱 높이는 데 집중할 것이라고 언급했습니다. 하지만 현재로서는, 이 새로운 적층 설계가 자연이 의도한 것처럼 조용하고 효율적이며 강력한 소프트 로봇을 구축할 수 있는 명확한 길을 제시하고 있습니다.
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