생명과학 세특 인공근육 근육의 구조와 활동 특성

인공 근육 만들기

인공 근육 만들기

오늘은 인공 근육을 만드는 방법과 인공 근육에 대하여 공부를 한 후 세특을 정리해 보겠습니다. 인공 근육에 관한 걸 처음 접한 건 2015 IYPT 주제였습니다. 2015 IYPT 주제에는 'Artificial muscle'이란 주제가 있습니다! 주제 내용은 다음과 같습니다.

 

Attach a polymer fishing line to an electric drill and apply tension to the line. As it twists, the fibre will form tight coils in a spring-like arrangement. Apply heat to the coils to permanently fix that spring like shape. When you apply heat again, the coil will contract. Investigate this ‘artificial muscle’.

 

해석하면 중합체로 만들어진 낚싯줄을 전동 드릴에 부착한 뒤 전동 드릴을 이용하여 줄에 장력을 가한다. 줄이 꼬이면서 섬유가 스프링 같은 코일의 형태로 바뀐다. 이 낚싯줄 코일에 열을 가하면 코일의 모양이 영구적으로 유지된다. 이때 열을 한 번 더 가하면 코일은 수축하게 된다. 이 인공 근육을 조사하여라.

 

1. 인공 근육에 관하여

텍사스 대학의 연구팀은 고강도 고분자 섬유를 기반으로 해서 인공 근육을 만드는 방법을 개발하였습니다. 자극에 반응하면서 팽창과 수축을 반복하는 재료들은 인공 근육을 만드는데 필수적인 조건입니다. 고분자 섬유는 자극에 대해 수축과 팽창이 자유로워야 하는데 고분자 섬유는 가열될 때 짧아지는 경향을 가지고 있습니다. 그 이유는 이 시스템의 엔트로피가 증가할 때 고분자 사슬이 더 무질서해지기 때문입니다. 약 250K의 온도 변화에 대해 4% 정도의 수축이 발생합니다. 연구팀은 매우 정렬된 선형 고분자 사슬로 구성된 섬유를 이용했고 반복적으로 비틀어 사슬이 나선으로 변하게 했습니다. 가열된 섬유가 방사형으로 팽창될 때 사슬의 나선형 경로의 길이를 증가시켰고 이에 따라 꼬인 부분을 풀려는 고분자 사슬 속 장력이 향상하여 섬유에 토크를 생성합니다. 그 후 꼬인 섬유를 동일한 방향으로 감는다면 가열로 인한 풀림 토크 때문에 코일이 조여져 49%까지 수축하게 된다는 것을 증명했습니다. 코일이 반대 방향으로 감겨 있다면, 열을 가했을 때 코일이 69%까지 늘어난다고 합니다. 이 연구에서 사용된 고분자 섬유는 폴리에틸렌 낚싯줄과 나일론 재봉사와 같은 값싼 고분자입니다. 고분자 근육이 온도의 변화에 반응해 수축과 팽창을 하는 성질을 이용한 인공 근육입니다.

 

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2. 인공 근육의 수축과 팽창 해석

출처 - Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread

 

열을 가했을 때, 수축한다는 것은 열에 의한 일을 했다고 판단 할 수 있다. 즉 하나의 열기관으로서 들어온 열과 나온 열 사이에 일이 있다. 이를 통해 열역학 제1 법칙으로 일과 일률을 고려하고, 2 법칙으로 엔트로피의 변화량을 고려할 수 있다. 인공 근육을 하나의 열기관으로 해석하기 위하여 간단하게 열역학 법칙을 정리해보자!

 

*열역학 제 1법칙

에너지는 보존되며 열과 일은 모두 에너지의 형태이다.

 

열역학 제 1법칙

 

U는 내부 에너지의 합, 상태 함수이다. 계를 가열하거나 일을 함으로써 내부 에너지를 변화시킬 수 있다. Q는 열량, W는 일이다. 인공 근육을 열기관으로써 엔트로피(S) 변화량을 계산하면 엔트로피 변화량은 다음과 같다.

 

열기관 엔트로피 계산

 

 

적분 경로에 무관하다. 열을 통한 일은 인공 근육에서 수축과 팽창을 하므로 탄성 위치에너지로 표현할 수 있다.

3. 근육의 신장성과 탄성

근육의 구조

 

• 신장성: 근육의 신전 또는 길이의 증가 능력
• 탄성: 신전 후에 안정 시 길이로 돌아오는 능력

 

• 병렬 탄성 성분(Parallel elastic component, PEC): 근막(muscle membranes)에서 이루어지는 근육의 수동적 탄성 특성, 근육이 수동적으로 신장될 경우 저항력으로 작용
• 직렬 탄성 성분(Series elastic component, SEC): 건(tendons)에서 이루어지는 근육의 수동적 탄성 특성, 근육이 신장될 때 탄성에너지를 축적하는 스프링 같은 역할
• 수축성 성분(Contractile component): 자극을 받은 근 섬유에 의해 장력을 발휘할 수 있는 근육 특성

 

 

4. 인공 근육에 관련된 세특 심화 주제 탐구

1. 낚싯줄 폴리머 이용하여 인공 근육 만들고 탐구 보고서 작성하기
2. 근육의 구조에 따른 인공 근육 구분하여 만들기 (탄성 병렬 구조와 직렬 구조를 활용)
3. 인공 근육과 실제 근육의 기능적 역할을 비교 & 대조 분석하기
4. 폴리머 종류에 따른 인공 근육 효율성 측정하기

 

 

탄성력과 관련된 주제를 정리하면서 근육에 대해 이야기를 했었습니다. 인공 근육에 관심 있다면 아랫글도 한번 참고해 보세요!

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